Project R-11567

Nieuw hybride organisch-anorganisch actief materiaal voor duurzame lithium-ionbatterijen met hoge capaciteit (Onderzoek)

De moderne beschaving heeft ongetwijfeld een snel toenemende hoeveelheid energie nodig en is erg afhankelijk geworden van fossiele brandstoffen met een eindig aanbod en ongelijke distributie. In dat opzicht is er het afgelopen decennium een golf van investeringen in de opwekking van hernieuwbare energie geweest, waarbij wind- en zonne-energie het meest productief zijn. Belangrijk is dat geen van deze hernieuwbare energiebronnen rechtstreeks kan worden aangewend om de transportsector van stroom te voorzien. De handigste vorm van energieopslag is draagbare chemische energie, wat de reden is van onze verslaving aan vervuilende fossiele brandstoffen voor warmte, voortstuwing, verlichting en communicatie. De batterij daarentegen biedt de draagbaarheid van opgeslagen chemische energie, maar bevat geen uitlaatgassen. Bovendien worden de meeste alternatieve energiebronnen bij voorkeur omgezet in elektrische gelijkstroom, wat ideaal is voor opslag als chemische energie in een batterij. Bovendien hebben batterijen de mogelijkheid om de opgeslagen energie weer als elektrische energie vrij te geven met een zeer hoog omzettingsrendement. Een LIB heeft drie hoofdcomponenten: een anode, een kathode en een (meestal vloeibare) elektrolyt. Het meest verspreide kathodemateriaal tot nu toe is LiCoO2, zoals gevonden in de eerste commerciële LIB's sinds 1991 (Sony). Bij het ontladen van de batterij gaan de lithiumionen terug naar de kathode en produceren ze een externe elektrische stroom. Tijdens celwerking bij 3,0-4,2 V beperken de oppervlaktereactiviteit en instabiliteit van de gedelithieerde Li1- xCoO2-structuur de praktische capaciteit van de LiCoO2- elektroden tot ongeveer 140 mAh / g (4). Deze beperkingen, samen met de grote kans op oververhitting veroorzaakt door celoverbelasting en kortsluiting in onvoldoende gecontroleerde batterijen en de relatief hoge kosten van kobalt, hebben sinds 1991 geleid tot enorme inspanningen om alternatieve kathodematerialen voor LiCoO2 te vinden die Li-ioncellen leveren. met superieure energiedichtheid, snelheidscapaciteit, veiligheid en levensduur. Ondanks het feit dat ze potentieel hebben, is geen van hen erin geslaagd alle gewenste eigenschappen te combineren. Ze hebben doorgaans een hogere capaciteit, maar minder thermisch stabiel (LiNi0.8Co0.15Al0.05O2, LiMnxNiyCo1-x-yO2), of ze zijn stabieler bij Li-extractie maar hebben een lagere capaciteit (spinel LiMn2O4 en olivijn LiFePO4). Li-metaal is theoretisch het beste anodemateriaal voor LIB's, met een extreem hoge specifieke capaciteit, maar vanwege de technische hindernissen van Limetaal als anodemateriaal hebben ze geleid tot het gebruik van op koolstof gebaseerde materialen als de meest gebruikte anodes in LIB's. Verschillende elementen die verbindingen vormen met Li zijn onderzocht als alternatieven (Sn, Sb, Si, Ge), waarvan Si het aantrekkelijkst is vanwege zijn hoge theoretische specifieke capaciteit van 4200 mAh / g. Kortom, het onderzoek dat is geïnvesteerd in anode- en kathodematerialen voor LIB's is enorm, maar er bestaan nog steeds grote uitdagingen voor elk van hen, en hebben betrekking op capaciteit, fietsstabiliteit, veiligheid en kosten. Als LIB's op grotere schaal een revolutie in energieopslag willen blijven bewerkstelligen (bv. Productief geëlektrificeerd transport), moeten deze obstakels dringend worden weggenomen. Intrigerend is dat het lijkt dat hybride metaalhalogenide perovskieten (HMHP's) van bijzonder belang kunnen zijn om elk van de bestaande uitdagingen op een korte tijdschaal aan te pakken. In tegenstelling tot typische ACE-materialen zijn HMHP's mechanisch veerkrachtig, gemakkelijk te synthetiseren vanuit een oplossing, uit goedkope chemicaliën en in de meeste gevallen zelfs dichtbij kamertemperatuur. HMHP's hebben ook zeer afstembare elektronische en ionische eigenschappen in het relevante bereik voor ACE-materialen, waardoor ze een potentiële kandidaatmateriaalklasse zijn voor implementatie in superieure nieuwe generatie LIB's in termen van capaciteit, fietsstabiliteit, veiligheid en kosten. Door hun zachte mechanische eigenschappen zijn ze zelfs uitstekende kandidaten voor flexibele batterijen. Mits de juiste afstemming kunnen HMHP's worden onderzocht als anode, kathode en vaste elektrolyt, of een combinatie hiervan.

01 december 2019 - 30 november 2023