Hittade ett sätt att öka kapaciteten hos litiumjonbatterier med 10 gånger

Runt om i världen letar dussintals forskargrupper efter alternativ för att avsevärt öka kapaciteten hos litiumjonbatterier. Införandet av kisel i strukturen anses vara en lovande riktning, men dess bräcklighet, bräcklighet av föreningar baserade på den och andra problem tillät inte detta under lång tid.

Men det ser ut som forskare i Japan har lyckats hitta en lösning på kiselproblemet. De kom med en ny design av anoden, gjord av kiselbågar i nanostorlek, vilket ger nödvändig styrka och hållbarhet.

Moderna litiumjonbatterier och deras nackdelar

Så till att börja med bara några ord om hur litiumjonbatterier fungerar. Så som ni vet består ett batteri av ett par elektroder (katod och anod) och en elektrolytisk lösning. Så elektrolytens huvuduppgift är överföringen av litiumjoner mellan katoden och anoden, som bara är gjord av grafit.

Så under batteriladdningen rör sig litiumjoner längs katod-lösning-anodbanan. Under urladdningsprocessen sker jonernas rörelse i motsatt riktning.

Denna design har visat sig bra och har fungerat i mer än ett dussin år. Men den största nackdelen med hela denna felsökade design ligger i det faktum att sex kolatomer måste användas samtidigt i grafitanoden för att lagra en litiumjon. Av denna anledning har dessa batterier en låg energitäthet.

Kisel och dess tillämpningar

Ändå, om vi ser på ett sådant material som kisel, kan en av dess atomer binda med fyra litiumjoner samtidigt, vilket ger en nästan tiofaldig ökning av energitätheten. Allt verkar vara bra, men forskare har fortfarande inte kunnat stabilisera kisel.

Eftersom det är benäget för betydande expansion (upp till 400% av originalvolymen), sammandragningar och brister under batteridrift förstörde alla dessa deformationseffekter kiselanoderna snabb nog.

Ett forskargrupp från Okinawa Institute of Graduate Technology and Technology (OSIT) föreslog sin lösning på problemet med stabilisering av kiselanoden. Ingenjörer utförde en hel rad experiment med lager av kisel i olika tjocklekar på jakt efter ett gyllene medelvärde, där villkoren för hög energitäthet och batteristabilitet kommer att uppfyllas.

Forskare har funnit att när kiselskiktet ökar är först en ökad styvhet, och efter en viss punkt är det en kraftig minskning. Det beslutades att studera mer detaljerat orsaken till en sådan övergång, och det är vad forskare har kunnat fastställa.

Det visade sig att när kisel deponeras på metalliska nanopartiklar börjar små kolumner i form av inverterade kottar bildas och förtjockas mot toppen.

Det visar sig att med avsättningen av ett ökande antal kiselatomer och följaktligen tillväxten av pelarna blir de så vida att de rör varandra och därmed bildar den välvda strukturen på nanometern skala.

En sådan struktur är ganska stark och används även av människor i konstruktionen. Och det visar sig att innan dessa nano-bågar bildades är strukturen ganska svag och deras ännu större tillväxt skapar en svampig struktur med hål, vilket inte är så effektivt.

Och först vid bildandet av sådana bågar skapas en balans som möjliggör en ökad laddningskapacitet och klarar ett stort antal laddnings- / urladdningscykler.

Det är ännu inte känt när de nya litiumjonbatterierna med en kiselanod kommer att säljas, men det faktum att denna riktning är lovande kan erkännas redan i detta skede.

Gillade du materialet? Lägg sedan upp fingret och prenumerera på kanalen. Tack för din uppmärksamhet!