اخبار صنعت

استفاده از پرکننده کربن برای بهبود باتری های لیتیوم یون با انرژی بالا

2021-06-16
موضوعات:
موسسه فیزیک آمریکا ، فناوری باتری ، انرژی ، لیتیوم یون ، علم مواد
توسط موسسه آمریکایی فیزیک 12 نوامبر 2020



الکترودهای ضخیم با نانولوله های کربنی تک جداره (SWCNT) برای سیستم های ذخیره انرژی مقیاس پذیر. اعتبار: ژنگیو جو و گیهوا یو

پرکننده های کربنی رسانا در باتری های لیتیوم یونی با ذخیره انرژی برگشت پذیر خروجی قدرت بالایی را امکان پذیر می کند.

باتری های لیتیوم یونی منبع اصلی قابل شارژ برای بسیاری از دستگاه های قابل حمل و همچنین وسایل نقلیه الکتریکی هستند ، اما استفاده از آنها محدود است ، زیرا خروجی قدرت بالایی را ارائه نمی دهند در حالی که به طور همزمان ذخیره انرژی برگشت پذیر را امکان پذیر می کند. تحقیقات گزارش شده در Applied Physics Reviews ، توسط انتشارات AIP ، با ارائه راهکاری برای نشان دادن این که چگونه استفاده از پرکننده های رسانا عملکرد باتری را بهبود می بخشد ، ارائه می شود.

طراحی بهینه باتری شامل ساختارهای الکترود ضخیم است. این چگالی انرژی را افزایش می دهد ، اما طراحی از حمل و نقل ضعیف یون لیتیوم رنج می برد ، که گامی کلیدی در عملکرد این الکترودها است. روشهای مختلف بهبود ، از جمله ایجاد کانالهای عمودی تراز یا ایجاد منافذ در اندازه مناسب برای تسهیل حمل و نقل یونهای لیتیوم ، مورد آزمایش قرار گرفته است.

رویکرد دیگر شامل استفاده از پرکننده های ساخته شده از کربن است که الکتریسیته را هدایت می کنند. این مطالعه سه نوع پرکننده را مورد بررسی قرار داد: نانولوله های کربنی تک جداره (SWCNTs) ، نانو ورق های گرافن و ماده ای به نام Super P ، نوعی ذرات سیاه کربن تولید شده در طول اکسیداسیون پیش سازهای نفتی. Super P رایج ترین پرکننده رسانا در باتری های لیتیوم یونی است.

پرکننده ها به نوعی از الکترودهای معروف به NCM اضافه شده اند که حاوی نیکل ، کبالت و منگنز هستند. محققان کامپوزیت های حاصله را با میکروسکوپ الکترونی روبشی مورد بررسی قرار دادند. ذرات Super P و NCM در حالت تماس نقطه به نقطه مرتب شده اند.

با این حال ، SWCNT ها در اطراف ذرات NCM پیچیده شده و یک پوشش رسانا تشکیل می دهند. علاوه بر این ، شبکه های SWCNT به هم پیوسته در فضاهای بین ذرات NCM مشاهده شد. نانو صفحات گرافن نیز در اطراف ذرات الکترود NCM پیچیده شده بودند اما نه به اندازه یکنواخت SWCNT.

SWCNT ها بهترین پرکننده رسانا برای الکترودهای NCM بودند.

Guihua Yu گفت: "هدایت اندازه گیری شده مطابق با نظریه نفوذ است" هنگامی که یک پرکننده رسانای الکتریکی به یک ماتریس عایق اضافه می شود ، افزایش قابل توجهی در هدایت رخ می دهد. یکی از نویسندگان

از آنجا که نفوذ به یک مسیر کامل از طریق پرکننده نیاز دارد ، مقدار کافی از پرکننده رسانا مورد نیاز است. بنابراین ، محققان مقادیر مختلف پرکننده را در نظر گرفتند و دریافتند که ترکیب الکترودهای NCM با 0.16 درصد وزن SWCNT ، رسانایی الکتریکی خوبی تولید می کند. برای دستیابی به نتایج مشابه ، مقادیر بیشتری از Super P و گرافن مورد نیاز است.

محققان از چندین تکنیک طیف سنجی ، از جمله طیف سنجی جذب رامان و اشعه ایکس ، برای مطالعه کامپوزیت های حاصله استفاده کردند.

این یک تلاش مشترک از مرکز خواص حمل و نقل بین مقیاس وسیع است ، یک مرکز تحقیقاتی انرژی مرزی که توسط برنامه علوم پایه انرژی وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود. یافته های ما نشان می دهد که ادغام SWCNT ها با الکترود NCM انتقال یون و بار را تسهیل می کند. u € یو گفت ، این امر منجر به استفاده بیشتر از الکتروشیمیایی ، به ویژه در میزان زیاد تخلیه می شود.

مرجع: n € n افشای اثر ابعادی پرکننده های رسانا در الکترودهای باتری ضخیم برای سیستم های ذخیره انرژی بالا که توسط Zhengyu Ju، Xiao Zhang، Steven T. King، Calvin D. Quilty، Yue Zhu، Kenneth J. Takeuchi، استر S. Takeuchi ، David C. Bock ، Lei Wang ، Amy C. Marschilok و Guihua Yu ، 10 نوامبر 2020 ، بررسیهای کاربردی فیزیک.
DOI: 10.1063/5.0024123