Ultra-dikke koolstofvezel versterkte batterij elektroden beloven hogere energiedichtheid

In een project gepubliceerd in de juni 2020 uitgave van het American Chemical Society’s Nano Letters tijdschrift, hebben onderzoekers van de University of Delaware’s (Newark, Delaware, VS) Center for Composite Materials (CCM) een ultra-dikke batterij elektrode ontwikkeld versterkt met verticaal uitgelijnde koolvezels. Gegnoemd “fiber-aligned thick” of “FAT,” het nieuwe elektrodeontwerp vertoont naar zeggen verbeterde eigenschappen en is gemakkelijk schaalbaar voor productie.

“In een batterij bestaat de elektrode uit een actief materiaal (het elektrodemateriaal) en inactieve componenten (bijv. metalen stroomverzamelaars, polymerbinders, en geleidende matrix),” legt Dr. Kun Fu, assistent professor aan de University of Delaware en auteur van de studie, uit. Om de specifieke capaciteit van een batterij te verbeteren, zegt hij, moet de hoeveelheid actief materiaal verhoogd worden en de inactieve materialen verminderd.

FAT elektrode ontwerp

De FAT elektrode ontworpen door het University of Delaware Center for Composite Materials incorporeert unidirectionele (UD) korte koolstofvezels uitgelijnd in de richting van de elektrode, met het actieve elektrodemateriaal (LiFePO₄, of lithiumijzerfosfaat) ingesloten tussen de vezels. De poriën tussen de koolstofvezels vormen lage tortuositeitskanalen door de elektrode, wat snelle iontransport binnen het vloeibare elektrolyt mogelijk maakt. “De FAT elektrode gebruikt uitgelijnde koolstofvezels om een door-dikte vezel-uitgelijnde elektrodestructuur te construeren met kenmerken van hoge elektrodemateriaal lading, lage tortuositeit, hoge elektrische en thermische geleiding, en goede compressie-eigenschap,” zegt Fu.

“In dit geval kan een dikker elektrode de verhouding van actief materiaal/inactief materiaal significant verhogen, om hogere specifieke capaciteit te bereiken,” voegt hij toe. De lage tortuositeit van de FAT elektrode stelt snelle elektrolytinfusie en snelle elektronen/iontransport in, met een hogere capaciteitsretentie en lagere ladingsoverdrachtsweerstand dan conventionele slurry-gegoten dikke elektrodeontwerpen.

Productie en toekomstige toepassingen

Naast verbeterde eigenschappen en hogere capaciteit, zeggen de onderzoekers dat de productiemethode gemakkelijk schaalbaar is en tegen lage kosten geproduceerd wordt, met een waterige elektrode inkt en een gesneden-en-gerolde koolstofvezelmembraan versterking. Om de elektrode te fabriceren, wordt het koolstofvezelmembraan, dat van tevoren geladen is met het actieve elektrodemateriaal, opgerold tot een cilindrische vorm en daarna loodrecht op de axiale richting van de vezels gesneden. De onderzoekers gebruikten deze methode om een elektrode van 18 millimeter diameter en een hoogte van 55 millimeter te fabriceren voor potentieel gebruik in 18650 cilindrische batterijcellen.

Vervolgens plannen de onderzoekers het uitgelijnde koolstofvezel framework toe te passen op anode-ontwerp, vastestofbatterijen, en Li-S en Li-O₂ batterijen, zegt Fu, en potentiële gebruik omvatten batterijen voor elektrische voertuigen, elektronica of netwerk energiedepos.

Om de studie te raadplegen, ga naar de Nano Letters digitale publicatie.