Adding graphene girders to silicon electrodes could double the life of lithium batteries

Dodatek grafenu do krzemowych elektrod może podwoić czas życia ogniw litowych

Naukowcy z uniwersytetu w Warwick odkryli, że jeśli do krzemowych elektrod ogniw litowo-jonowych doda się grafen zamiast grafitu, to ich żywotność zostanie niemalże podwojona, zwiększając także pojemność samego akumulatora.

Grafit od dawna jest domyślnie wybieranym materiałem aktywnym do anod ogniw litowo-jonowych, ale naukowcy cały czas pracują nad zastąpieniem go np. krzemem, który jest dużo tańszy, a dodatkowo charakteryzuje się dziesięć razy lepszym stosunkiem energii do wagi w ogniwie Li-ion. Niestety jego wykorzystanie wiąże się z innymi ograniczeniami – brak elastyczności w połączeniu z naprężeniami podczas pracy ogniwa powoduje znaczne zmniejszenie żywotności – anoda szybko pęka, kruszy się i niszczy.

Badacze na całym świecie próbują różnych rozwiązań, aby możliwe było wykorzystanie krzemowych elektrod. Jednym z pomysłów jest wzmocnienie krzemowych nanocząstek grafenem. Niestety pierwsze próby zakończyły się niepowodzeniem, ponieważ nanocząstki mają bardzo duży stosunek powierzchni do objętości, więc na elektrodzie odłożyła się warstwa litu, która skróciła żywotność ogniwa, ograniczając kontakt elektrolitu z anodą.

Dzięki staraniom doktor Melanii Loveridge z Uniwersytetu w Warwick udało się pokonać opisane powyżej problemy i wykorzystać nową mieszankę krzemowo-grafenową, która okazała się dużo lepsza od poprzedniej i umożliwiła wyprodukowanie żywotniejszej elektrody. Metoda ta ma jeszcze jedną zaletę – można łatwo zastosować ją w przemyśle i handlu.

Naukowcy opisali swoje przełomowe odkrycie w najnowszym numerze czasopisma „Scientific Reports” w styczniu 2018 roku.

Grafen to atomowo cienka warstwa grafitu (jednego z allotropów węgla). Istnieje też pewien materiał o własnościach pośrednich pomiędzy grafenem a grafitem – tak zwany FLG, czyli kilkuwarstwowy grafen. FLG wykorzystywany był w ogniwach w połączeniu z krzemowymi nanocząstkami, ale okazało się, że równie dobrze współpracuje on z cząstkami odrobinę większymi, o średnicy kilku mikrometrów. Takie mieszanki są znacznie łatwiejsze w uzyskaniu, a mimo to potrafią istotnie zwiększyć żywotność, jak i pojemność ogniwa litowo-jonowego.

Adding graphene girders to silicon electrodes could double the life of lithium batteries

Nowy materiał przetestowany został przez 100 cykli ładowania i rozładowania, aby zbadać żywotność nowych elektrod. „Płatki FLG zostały wmieszane w anodę i zachowywały się jak wzmocnienia, które jednocześnie są bardzo elastyczne. Materiał ten okazuje się być odporny na rozciąganie podczas pracy ogniwa, z uwagi na swoją wytrzymałość i elastyczność. Dodatkowo grafen zwiększa przewodność anody, co pozwala jej zachować cały czas niską rezystancję”, mówi Loveridge.

Dodatkowo, co bardzo istotne, FLG w mieszance pozwalają na odizolowanie poszczególnych mikrocząstek od siebie. Dzięki temu zmniejsza się ryzyko, że podczas reakcji elektrochemicznych w baterii mikrocząstki się zespoją, co powodowałoby spadek pojemności ogniwa.

Naukowcy z Warwick pracują już nad rozwinięciem tej technologii i jej komercjalizacją. Dalsze badania nad grafenowymi ogniwami prowadzone mają być w ramach projektu ufundowanego przez firmę Varta.

Konsorcjum naukowe oprócz badaczy z Uniwersytetu z Warwick składa się także z naukowców z innych uczelni, między innymi: z Cambridge i Włoskiego Instytutu Technologicznego. Celem badań jest stworzenie preprodukcyjnego prototypu takiego akumulatora, który mógłby być łatwo wprowadzony do masowej produkcji w niedalekiej przyszłości.

Źródło: techxlore.com

Dodaj komentarz

Zapisz się do naszego newslettera

Wysyłamy maksymalnie jedną wiadomość w tygodniu, nie spamujemy!

Czytaj więcej: