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Utilizzo di carbone di riempimento per migliorare le batterie agli ioni di litio ad alta energia

2021-06-16
TEMI:
Istituto americano di fisica, tecnologia delle batterie, energia, ioni di litio, scienza dei materiali
Di AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS 12 NOVEMBRE 2020



Elettrodi spessi con nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) per sistemi di accumulo di energia scalabili. Credito: Zhengyu Ju e Guihua Yu

Le cariche di carbonio conduttive nelle batterie agli ioni di litio consentono un'elevata potenza con accumulo di energia reversibile.

Le batterie agli ioni di litio sono la principale fonte di alimentazione ricaricabile per molti dispositivi portatili e veicoli elettrici, ma il loro uso è limitato, perché non forniscono un'elevata potenza e allo stesso tempo consentono l'accumulo di energia reversibile. La ricerca riportata in Applied Physics Reviews, di AIP Publishing, mira a offrire una soluzione mostrando come l'inclusione di riempitivi conduttivi migliora le prestazioni della batteria.

Il design ottimale della batteria prevede strutture di elettrodi spessi. Ciò aumenta la densità di energia, ma il design soffre di uno scarso trasporto di ioni di litio, un passaggio chiave nel funzionamento di questi elettrodi. Sono state provate varie tecniche di miglioramento, inclusa la costruzione di canali allineati verticalmente o la creazione di pori delle dimensioni appropriate per facilitare il trasporto degli ioni di litio.

Un altro approccio prevede l'uso di cariche a base di carbonio che conducono elettricità. Questo studio ha preso in considerazione tre tipi di riempitivi: nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT), nanofogli di grafene e una sostanza nota come Super P, un tipo di particelle di nerofumo prodotte durante l'ossidazione dei precursori del petrolio. Super P è il riempitivo conduttivo più comunemente usato nelle batterie agli ioni di litio.

I riempitivi sono stati aggiunti a un tipo di materiale per elettrodi noto come NCM che contiene nichel, cobalto e manganese. I ricercatori hanno esaminato i compositi risultanti con la microscopia elettronica a scansione. Si è scoperto che le particelle Super P e NCM sono disposte in una modalità di contatto punto-punto.

Gli SWCNT sono stati, tuttavia, avvolti attorno alle particelle NCM, formando un rivestimento conduttivo. Inoltre, sono state osservate reti di SWCNT interconnessi negli spazi tra le particelle NCM. Anche i nanofogli di grafene sono stati avvolti attorno alle particelle dell'elettrodo NCM, ma non in modo uniforme come lo erano gli SWCNT.

Gli SWCNT si sono rivelati il ​​miglior riempitivo conduttivo per gli elettrodi NCM.

"La conduttività misurata è coerente con la teoria della percolazione. Quando un riempitivo elettricamente conduttivo viene aggiunto a una matrice isolante, si verificheranno aumenti significativi della conduttività una volta formato il primo percorso conduttivo attraverso il composito", ha affermato Guihua Yu, uno degli autori.

Poiché la percolazione richiede un percorso completo attraverso il riempitivo, è necessaria una quantità sufficiente di riempitivo conduttivo. Pertanto, i ricercatori hanno preso in considerazione varie quantità di riempitivo e hanno scoperto che la combinazione di elettrodi NCM con appena lo 0,16% in peso di SWCNT produceva una buona conduttività elettrica. Per ottenere gli stessi risultati erano necessarie quantità maggiori di Super P e grafene.

I ricercatori hanno utilizzato diverse tecniche spettroscopiche, inclusa la spettroscopia Raman e di assorbimento dei raggi X, per studiare i compositi risultanti.

"Questo è uno sforzo collaborativo del Center for Mesoscale Transport Properties, un centro di ricerca di frontiera energetica supportato dal programma di scienze energetiche di base del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti. I nostri risultati suggeriscono che l'integrazione di SWCNT nell'elettrodo NCM facilita il trasferimento di ioni e carica. Questo porterà a un maggiore utilizzo elettrochimico, specialmente ad alti tassi di scarica", ha detto Yu.

Riferimento: "Svelare l'effetto dimensionale dei riempitivi conduttivi in ​​elettrodi di batteria spessi per sistemi di accumulo ad alta energia" di Zhengyu Ju, Xiao Zhang, Steven T. King, Calvin D. Quilty, Yue Zhu, Kenneth J. Takeuchi, Esther S. Takeuchi, David C. Bock, Lei Wang, Amy C. Marschilok e Guihua Yu, 10 novembre 2020, recensioni di fisica applicata.
DOI: 10.1063/5.0024123