חוקרים הנדסו קלסר בעל ביצועים גבוהים עבור אלקטרודות מבוססות מיקרו-סיליקון אוקסיד (SiO) בתוך סוללות ליתיום-יון עם חומצה פולי(ויניל-פוספונית) (PVPA), אשר משפר ביצועים אלקטרוכימיים ועמידות בהשוואה לאפשרויות קונבנציונליות. קרדיט: Noriyoshi Matsumi מ-JAIST
חוקרים יצרו קלסר מתוחכם עבור אלקטרודות תחמוצת סיליקון בסוללות ליתיום-יון, המשפר את היעילות האלקטרוכימית ואת תוחלת החיים שלהן.
סוללות ליתיום-יון נמצאות בשימוש נרחב ביישומים שונים, אך זקוקות לקלסרים משופרים כדי לשפר את הביצועים שלהן כדי לעמוד בדרישות המתפתחות. הסיבה לכך היא תחמוצת סיליקון (SiO), חומר אנודה מבטיח בשל הקיבולת הגבוהה והעלות הנמוכה שלו, מתמודד עם מספר אתגרים. אלה כוללים מוליכות ירודה, מה שמוביל לקצבי טעינה איטיים יותר, והתרחבות משמעותית במהלך הטעינה. קלסרים יעילים חיוניים אם כן כדי לטפל בבעיות אלו ולהבטיח ביצועים משופרים ועמידות ממושכת עבור מערכות סוללות ליתיום-יון.
במחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת ACS Applied Energy Materials ב-8 בפברואר 2024, פרופסור נוריושי מצומי מהמכון המתקדם למדע וטכנולוגיה ביפן (JAIST), יחד עם הדוקטורנט Noriyuki Takamori, מרצה בכיר לשעבר ראג'שקר באדם, ד"ר Tejkiran Pindi Jayakumar (סטודנט לשעבר), וחוקרים מ-Maruzen Petrochemical חברה בע"מ, השתמשו בפולי(וינילפוספוניק). חוּמצָה) (PVPA) כחומר מקשר לאלקטרודות מיקרו-SiO, משיג ביצועים מעולים בהשוואה לתאים רגילים.
ביצועים מעולים של PVPA
לדברי פרופ' מטסומי, "קלסר ה-PVPA אמור להיות שימושי מאוד בהארכת החיים של סוללות ליתיום-יון משניות בעלות ביצועים גבוהים. במיוחד ביישום של כלי רכב חשמליים, היה עניין עז לאפשר חיים ארוכים לסוללות ליתיום-יון משניות. השימוש ב-PVPA יציע חלופות משופרות לקשרים זמינים מסחרית, כגון פולי(חומצה אקרילית) (PAA) ופולי(וינילידן פלואוריד) (PVDF) וכו'.
המחקר כלל ייצור אלקטרודות המכילות PVPA, PAA ו-PVDF כקלסרים, והביצועים שלהם הוערכו באמצעות ניסויים אלקטרוכימיים ותיאוריית תפקודי צפיפות. PVPA הוכיח הידבקות חזקה יותר (3.44 N/m) לתמיכת נחושת בהשוואה ל-PAA קונבנציונלי (2.03 N/m), מה שהוביל לעמידות משופרת משמעותית בסוללות ליתיום-יון.
התא המבוסס PVPA גם סיפק כמעט פי שניים את קיבולת הפריקה בהשוואה לתא מבוסס ה-PAA לאחר 200 מחזורים, כאשר חצי התא מבוסס PVPA השיג 1300 mAhg-1SiO לאחר אותה ספירת מחזור. גם לאחר 200 מחזורים של פריקת מטען, פילינג מקולט הזרם לא נצפתה במיקרוסקופיה סורקת אלקטרונים, בניגוד לקלסרי PVDF או PAA. יתר על כן, ההידבקות החזקה יותר של PVPA עוזרת לייצב את האנודה המבוססת על SiO, ומונעת את קילוף שלה אפילו עם הרחבת נפח משמעותית.
שיתוף פעולה ופטנטים
בנוסף, Maruzen Petrochemical Company Ltd, שחוקריה היו חלק מהמחקר, הקימה תהליך ייצור תעשייתי עבור PVPA. שיתוף פעולה מתמשך בין JAIST לבין Maruzen Petrochemical Company Ltd, יחד עם הכללת מומחיות נוספת בייצור סוללות מהחברה, עשוי להאיץ עוד יותר את התהליך לקראת יישומים אמיתיים. פטנטים לטכנולוגיה זו הוגשו הן מקומיות (יפן) והן בינלאומיות כבקשה משותפת של JAIST ו-Maruzen Petrochemical Company Ltd.
"קלסר בר ביצוע תעשייתי עם ביצועים גבוהים כמו זה יסייע בפיתוח טכנולוגיה לסוללות עמידות מאוד וצפיפות אנרגיה גבוהה. זה יביא לאימוץ רחב יותר של רכבי EV ברחבי העולם ללא דאגות לגבי ירידה בביצועים לאורך תקופה ארוכה יותר. חומרים אלו יכולים להיות ישימים גם למגוון כלי רכב חשמליים כמו רכבות, ספינות, מטוסים וכו', בעתיד", צופה פרופ' מצומי.
לסיכום, מדענים פיתחו קלסר פונקציונלי באמצעות חומצה פולי(ויניל-פוספונית) לאנודות מבוססות SiO בסוללות ליתיום-יון. קלסר זה בעלות נמוכה משפר את הביצועים בהשוואה לאפשרויות קונבנציונליות ומייצג התקדמות חדשה עבור יישומים מבוססי מיקרו-SiO בכלי רכב חשמליים ומחוצה לה!
עבודה זו נתמכה על ידי JST SPRING, מספר מענק JPMJSP2102.
