Dikkere, met koolstofvezel versterkte batterij-elektroden kunnen batterijen met een hoge dichtheid mogelijk maken

In een project gepubliceerd in het juni-nummer van de Nano Letters van de American Chemical Society hebben onderzoekers van het Centre for Composite Materials (CCM) van de University of Delaware (Newark, Del., U.S.) een ultradikke batterij-elektrode ontwikkeld die is versterkt met verticaal uitgelijnde koolstofvezels. Het nieuwe elektrodeontwerp, dat 'fiber-aligned thick' of 'FAT' wordt genoemd, zou verbeterde eigenschappen vertonen en gemakkelijk schaalbaar zijn om te produceren.

"In een batterij bestaat de elektrode uit een actief materiaal (het elektrodemateriaal) en inactieve componenten (bijv. metalen stroomcollectoren, polymeerbindmiddelen en geleidende matrix)", legt dr. Kun Fu, assistent-professor aan de Universiteit van Delaware, uit. en een auteur over de studie. Om de specifieke capaciteit van een batterij te verbeteren, zegt hij, moet de hoeveelheid actief materiaal worden verhoogd en de inactieve materialen worden verlaagd.

De FAT-elektrode ontworpen door het University of Delaware Center for Composite Materials bevat unidirectionele (UD) korte koolstofvezels die zijn uitgelijnd in de richting van de elektrode, met het actieve elektrodemateriaal (LiFePO₄ , of lithiumijzerfosfaat) ingebed tussen de vezels. De poriën tussen de koolstofvezels vormen kanalen met lage kronkeligheid door de elektrode, waardoor snel ionentransport in de vloeibare elektrolyt mogelijk is. "De FAT-elektrode maakt gebruik van uitgelijnde koolstofvezels om een ​​vezel-uitgelijnde elektrodestructuur met doorlopende dikte te construeren met kenmerken van een hoge materiaalbelasting van de elektrode, lage kronkeligheid, hoge elektrische en thermische geleidbaarheid en goede compressie-eigenschappen", zegt Fu.

"In dit geval zou een dikkere elektrode het rantsoen van actief materiaal / inactief materiaal aanzienlijk kunnen verhogen, om een ​​hogere specifieke capaciteit te bereiken", voegt hij eraan toe. De lage kronkeligheid van de FAT-elektrode maakt een snelle elektrolyt-infusie en snel elektronen/ionentransport mogelijk, met een hogere capaciteitsretentie en een lagere ladingsoverdrachtsweerstand dan een conventioneel, met slurry gegoten ontwerp met dikke elektrodes.

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

Vervolgens zijn de onderzoekers van plan om het uitgelijnde koolstofvezelframewerk toe te passen op anodeontwerp, solid-state batterijen en Li-S en Li-O₂ batterijen, zegt Fu, en mogelijke toepassingen zijn onder meer batterijen voor elektrische voertuigen, elektronica of energieopslag op het elektriciteitsnet.

Ga voor toegang tot het onderzoek naar de Nano Letters digitale publicatie.