סוג חדש של אנודה מבוססת עופרת ישמש בדור הבא של סוללות ליתיום

סוללות ליתיום יון מספקות כוח לכל המכשירים, מסמארטפונים למחשבים ניידים ועד לרכבים חשמליים. מדענים ברחבי העולם חיפשו רכיבים חדשים ומשופרים לייצור סוללות טובות יותר עבור יישומים אלו ואחרים.

מדענים במעבדה הלאומית של ארגון של משרד האנרגיה האמריקאי (DOE) דיווחו על אלקטרודה חדשה המיועדת לסוללות ליתיום-יון המשתמשות בחומרים בעלות נמוכה כגון עופרת ופחמן. התורמים לתגלית חשובה זו כוללים גם מדענים מאוניברסיטת נורת'ווסטרן, המעבדה הלאומית ברוקהייבן והמכון הלאומי למדע וטכנולוגיה של אולסן (UNIST).

Eungje Lee, מחבר ראשי ומדען חומרים למדע והנדסה כימית (CSE) באוניברסיטת Argonne, הצהיר, "למחקר שלנו יש השלכות מרגשות על תכנון סוללות ליתיום-יון בעלות נמוכה, בעלת ביצועים גבוהים ובני-קיימא שיכולות לספק כוח עבור היברידיות. וכל הרכבים החשמליים".

עקרון העבודה של סוללות ליתיום-יון הוא הכנסת יוני ליתיום לאנודה במהלך הטעינה והסרתם במהלך הפריקה. אנודת הגרפיט הנוכחית יכולה לעבור אלפי מחזורי פריקת מטען כאלה, אבל נראה שהיא הגיעה לגבול שלה מבחינת יכולת אחסון אנרגיה.

לי אמר, "החלטנו ללמוד עופרת כתחליף לגרפיט כחומר לאנודה. עופרת אטרקטיבית במיוחד מכיוון שהיא גם זולה וגם לא יקרה. בנוסף, בשל ההיסטוריה הארוכה של סוללות עופרת-חומצה המספקות כוח עזר למכוניות. , יש לו שרשרת אספקה ​​מלאה והוא אחד החומרים הממוחזרים ביותר בעולם בארצות הברית, שיעור החזרת העופרת הנוכחי הוא 99%.

לי הוסיף: "האנודה החדשה שלנו יכולה לספק מקור הכנסה חדש לתעשייה הגדולה העוסקת כיום בייצור ומיחזור סוללות עופרת חומצת עופרת."

האנודה של הצוות אינה צלחת עופרת רגילה, אלא אינספור חלקיקים מיקרוסקופיים בעלי מבנים מורכבים: ננו-חלקיקי עופרת המוטבעים במטריצת פחמן ומוקפים במעטפת דקה של תחמוצת עופרת. למרות שמבנה זה נשמע מורכב, הצוות המציא שיטת ייצור פשוטה ובעלות נמוכה.

"השיטה שלנו כוללת ערבוב של חלקיקי תחמוצת עופרת גדולים עם אבקת פחמן ותנודה למשך מספר שעות עד שנוצרים חלקיקים מיקרוסקופיים עם מבנה הליבה-קליפה הרצויה", הסביר כריסטופר ג'ונסון, החוקר הראשי של הפרויקט וחוקר מצטיין ב-Argonne, CSE.

בדיקות שנערכו בסוללות מעבדה עם למעלה מ-100 מחזורי פריקה של טעינה הראו כי קיבולת אחסון האנרגיה של האנודה החדשה של הננו מרוכבת עופרת היא פי שניים מאנודת הגרפיט הנוכחית (מתוקננת לאותו משקל). ביצועים יציבים במהלך תהליך הרכיבה אפשריים, שכן גדלי חלקיקים קטנים יכולים להקל על הלחץ, בעוד שמטריצת פחמן מספקת את המוליכות הנדרשת ומשמשת כחיץ למניעת נזק להתרחבות הנפח במהלך תהליך הרכיבה. צוות המחקר מצא גם שהוספת כמות קטנה של פלואוראתיל קרבונט לאלקטרוליט הסטנדרטי משפרת משמעותית את הביצועים.

חוקרים חקרו את מנגנוני הטעינה והפריקה של האנודה במרכז מקורות הקרינה המתקדמים של GeoSoilEnviro (GSECARS) המופעל על ידי אוניברסיטת שיקגו, הממוקם בארגונה, המשרד למתקן משתמשי המדע של DOE. באמצעות עקיפה של קרני רנטגן סינכרוטרוניים, הם מסוגלים לעקוב אחר מעבר הפאזות של חומרי אלקטרודה שליליים במהלך טעינה ופריקה. תוצאות אפיון אלו, בשילוב עם התוצאות שנאספו על ידי המרכז לאפיון אטומי וננומטרי של אוניברסיטת נורת'ווסטרן ו-DOE User Facility National Synchrotron Light Source II בברוקהייבן, חושפים את התגובות האלקטרוכימיות המתרחשות בין עופרת ליוני ליתיום במהלך טעינה ופריקה, אשר היו לא ידוע בעבר.

לי אמר, "תובנה בסיסית זו עשויה להיות חשובה להבנת מנגנון התגובה בין אנודות עופרת לסיליקון."

אנודת סיליקון היא בחירה נוספת בעלות נמוכה ובעלת ביצועים גבוהים עבור הדור הבא של סוללות ליתיום-יון.

ג'ונסון אמר, "הגילוי שלנו מאתגר את ההבנה הנוכחית של חומר האלקטרודה הזה." התגלית שלנו מספקת גם השלכות מרגשות לתכנון חומרי אנודה בעלות נמוכה ובעלי ביצועים גבוהים לתחבורה ואחסון אנרגיה קבועה, כגון מקורות כוח גיבוי לרשת החשמל. "

המאמר של הצוות פורסם ב-Advanced Functional Materials שפורסם לאחרונה.