673886040@qq.com
Использование углеродного наполнителя для улучшения высокоэнергетических литий-ионных батарей
Литий-ионные батареи являются основным перезаряжаемым источником энергии для многих портативных устройств, а также для электромобилей, но их использование ограничено, поскольку они не обеспечивают высокую выходную мощность, одновременно обеспечивая обратимое накопление энергии. Исследование, опубликованное в журнале Applied Physics Reviews, опубликованном AIP Publishing, направлено на то, чтобы предложить решение, показав, как включение проводящих наполнителей улучшает характеристики батареи.
Оптимальная конструкция батареи предполагает наличие толстых электродных структур. Это увеличивает плотность энергии, но конструкция страдает от плохого транспорта литий-иона, что является ключевым моментом в работе этих электродов. Были опробованы различные методы улучшения, включая создание вертикально ориентированных каналов или создание пор надлежащего размера для облегчения транспорта ионов лития.
Другой подход предполагает использование наполнителей из углерода, проводящих электричество. В этом исследовании рассматривались три типа наполнителей: однослойные углеродные нанотрубки (ОСУНТ), графеновые нанолисты и вещество, известное как Super P, тип частиц сажи, образующихся при окислении предшественников нефти. Super P - это наиболее часто используемый проводящий наполнитель в литий-ионных аккумуляторах.
Наполнители были добавлены к типу электродного материала, известному как NCM, который содержит никель, кобальт и марганец. Исследователи исследовали полученные композиты с помощью сканирующей электронной микроскопии. Установлено, что частицы Super P и NCM расположены в режиме контакта точка-точка.
Однако ОУНТ были намотаны на частицы NCM, образуя проводящее покрытие. Кроме того, в пространствах между частицами NCM наблюдались сети связанных между собой ОСУНТ. Нанолисты графена также были намотаны вокруг частиц электрода NCM, но не так равномерно, как SWCNT.
ОУНТ оказались лучшим проводящим наполнителем для электродов NCM.
«Измеренная проводимость согласуется с теорией перколяции… Когда в изолирующую матрицу добавляется электропроводящий наполнитель, после образования первого проводящего пути через композит произойдет значительное увеличение проводимости», - сказал Гуйхуа Ю, один из авторов.
Поскольку для перколяции требуется полный проход через наполнитель, необходимо достаточное количество проводящего наполнителя. Поэтому исследователи рассмотрели различные количества наполнителя и обнаружили, что объединение электродов NCM всего с 0,16% по весу SWCNT дает хорошую электропроводность. Для достижения тех же результатов потребовалось большее количество Super P и графена.
Исследователи использовали несколько спектроскопических методов, включая спектроскопию комбинационного рассеяния света и рентгеновскую абсорбционную спектроскопию, для изучения полученных композитов.
«Это совместная работа Центра мезомасштабных транспортных свойств, исследовательского центра Energy Frontier, поддерживаемого программой фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США. Наши результаты показывают, что интеграция ОСУНТ в электрод NCM способствует переносу ионов и заряда. Это приведет к более высокому электрохимическому использованию, особенно при высоких скоростях разряда », - сказал Ю.
