Ny forskning, ledd av Queen Mary University of London, visar att en elektroddesign med dubbla lager, styrd av grundläggande vetenskap genom operando-avbildning, visar anmärkningsvärda förbättringar i den cykliska stabiliteten och snabbladdningsprestandan hos bilbatterier, med stor potential att minska kostnaderna med 20–30 %.
Forskningen, som publicerades idag (24 oktober) i Nature Nanotechnology, leddes av Dr Xuekun Lu, universitetslektor i Green Energy vid Queen Mary University of London.
I studien introducerar forskarna en evidensstyrd dubbelskiktsdesign för kiselbaserade kompositelektroder för att ta itu med viktiga utmaningar i den Si-baserade elektroden – ett genombrott med stor potential för nästa generations högpresterande batterier.
Utvecklingen av bilbatterier har drivits av en ständigt ökande efterfrågan på räckvidd och laddningshastighet sedan elbilarna tog fart för 15 år sedan. Kiselelektroder kan ge 10 gånger högre teoretisk kapacitet och snabbare laddning, men deras storskaliga användning hålls tillbaka av betydande volymförändringar på upp till 300 % under laddnings-/urladdningscykler. Detta innebär att de bryts ned snabbt och inte varar länge.
Med hjälp av multi-scale multimodal operando avbildningsteknik, avslöjar denna forskning oöverträffade insikter i de elektrokemo-mekaniska processerna för grafit/kiselkompositelektroderna. Guidad av dessa förbättrade mekanistiska förståelser föreslås en ny dubbelskiktsarkitektur, som tar itu med viktiga utmaningar i materialdesign, uppvisar betydligt högre kapacitet och lägre nedbrytning jämfört med konventionella formuleringar.
Dr Xuekun Lu, som ledde studien:
– I den här studien, för första gången, visualiserar vi samspelet mellan mikrostrukturell design och elektrokemo-mekanisk prestanda över längdskalor – från en partikel till full elektrod – genom att integrera multimodala operando-avbildningstekniker.
– Denna studie öppnar nya vägar för innovativa 3D-kompositelektrodarkitekturer, tänjer på gränserna för energitäthet, cykellivslängd och laddningshastighet i bilbatterier, och påskyndar därmed storskalig användning av elbilar.
Professor David Greenwood, VD för WMG High Value Manufacturing Catapult Center:
– Högkiselanoder är en viktig teknikväg för batterier med hög energidensitet i applikationer som Automotive. Denna studie ger en mycket djupare förståelse för hur deras mikrostruktur påverkar deras prestanda och nedbrytning, och kommer att ge en grund för bättre batteridesign i framtiden.
Bild: Stefan Schweihofer
