Исследователи разработали высокоэффективное связующее вещество для электродов на основе микрооксида кремния (SiO) в литий-ионных батареях с поливинилфосфоновой кислотой (ПВФА), которое повышает электрохимические характеристики и долговечность по сравнению с традиционными вариантами. Фото: Нориёси Мацуми из JAIST.
Исследователи создали сложное связующее вещество для электродов из оксида кремния в литий-ионных батареях, улучшающее их электрохимическую эффективность и срок службы.
Литий-ионные батареи широко используются в различных приложениях, но требуют улучшенных связующих для повышения их производительности и соответствия меняющимся требованиям. Это связано с тем, что оксид кремния (SiO), многообещающий анодный материал из-за его высокой емкости и низкой стоимости, сталкивается с рядом проблем. К ним относятся плохая проводимость, что приводит к снижению скорости зарядки, а также к значительному расширению во время зарядки. Таким образом, эффективные связующие вещества необходимы для решения этих проблем и обеспечения повышенной производительности и длительного срока службы литий-ионных аккумуляторных систем.
В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Прикладные энергетические материалы ACS 8 февраля 2024 г. профессор Нориёси Мацуми из Японского института передовых наук и технологий (JAIST) вместе с докторантом Нориюки Такамори, бывшим старшим преподавателем Раджашекаром Бадамом, доктором Тейкираном Пинди Джаякумаром (бывшим студентом) и исследователями из Maruzen Petrochemical. Компания Ltd. использовала поли(винилфосфоновый кислота) (ПВПА) в качестве связующего для электродов из микро-SiO, обеспечивая превосходные характеристики по сравнению с обычными элементами.
Превосходная производительность PVPA
По словам профессора Мацуми, «связующее ПВПА должно оказаться очень полезным для продления срока службы высокопроизводительных литий-ионных вторичных батарей. В частности, при использовании электромобилей наблюдается большой интерес к обеспечению длительного срока службы литий-ионных аккумуляторных батарей. Использование ПВПА предложит улучшенные альтернативы коммерчески доступным связующим, таким как полиакриловая кислота (ПАА) и поливинилиденфторид (ПВДФ) и т. д.».
Исследование включало изготовление электродов, содержащих в качестве связующих ПВПА, ПАК и ПВДФ, а их характеристики оценивались с помощью электрохимических экспериментов и теории функционала плотности. ПВПА продемонстрировал заметно более сильную адгезию (3,44 Н/м) к медной основе по сравнению с обычным ПАК (2,03 Н/м), что привело к значительному увеличению срока службы литий-ионных батарей.
Элемент на основе ПВПА также обеспечивает почти вдвое большую разрядную емкость по сравнению с элементом на основе ПАК после 200 циклов, при этом полуэлемент на основе ПВПА достигает 1300 мАч.-1SiO после того же количества циклов. Даже после 200 циклов заряд-разряд отслоение токосъемника не наблюдалось при сканирующей электронной микроскопии, в отличие от связующих ПВДФ или ПАК. Кроме того, более сильная адгезия ПВПА помогает стабилизировать анод на основе SiO, предотвращая его отслаивание даже при значительном объемном расширении.
Сотрудничество и патентование
Кроме того, компания Maruzen Petrochemical Company Ltd., исследователи которой принимали участие в исследовании, наладила промышленный процесс производства ПВПА. Постоянное сотрудничество между JAIST и Maruzen Petrochemical Company Ltd., а также привлечение дополнительного опыта компании в области производства аккумуляторов может еще больше ускорить процесс перехода к реальным применениям. Патенты на эту технологию были поданы как внутри страны (Япония), так и за рубежом в виде совместной заявки JAIST и Maruzen Petrochemical Company Ltd.
«Промышленно осуществимое, высокоэффективное связующее, подобное этому, поможет в разработке технологии создания очень прочных батарей с высокой плотностью энергии. Это приведет к более широкому распространению электромобилей во всем мире без опасений по поводу ухудшения их производительности в течение длительного периода. В будущем эти материалы также могут быть применимы к различным электромобилям, таким как поезда, корабли, самолеты и т. д.», — предполагает профессор Мацуми.
Таким образом, ученые разработали функциональное связующее вещество с использованием поливинилфосфоновой кислоты для анодов на основе SiO в литий-ионных батареях. Это недорогое связующее повышает производительность по сравнению с традиционными вариантами и представляет собой новое достижение в области применения микро-SiO в электромобилях и за его пределами!
Ссылка: «Простая стабилизация анода литий-ионной батареи на основе оксида кремния с использованием поли(винилфосфоновой кислоты)», Нориюки Такамори, Тадаси Ямазаки, Такуро Фурукава, Тейкиран Пинди Джаякумар, Раджашекар Бадам и Нориёси Мацуми, 8 февраля 2024 г., Прикладные энергетические материалы ACS.
DOI: 10.1021/acsaem.3c02127
Эта работа была поддержана JST SPRING, номер гранта JPMJSP2102.