Оптимальная конструкция батареи предполагает наличие толстых электродных структур. Это увеличивает плотность энергии, но конструкция страдает от плохого транспорта литий-ионов, что является ключевым моментом в функционировании этих электродов. Были опробованы различные методы улучшения, включая создание вертикально ориентированных каналов или создание пор надлежащего размера для облегчения транспортировки ионов лития.
Другой подход предполагает использование углеродных наполнителей, проводящих электричество. В этом исследовании рассматривались три типа наполнителей: однослойные углеродные нанотрубки (ОСУНТ), графеновые нанолисты и вещество, известное как Super P, тип частиц сажи, образующихся при окислении предшественников нефти.
Super P – это наиболее часто используемый проводящий наполнитель в литий-ионных аккумуляторах.
Наполнители были добавлены к типу электродного материала, известному как NCM, который содержит никель, кобальт и марганец. Исследователи исследовали полученные композиты с помощью сканирующей электронной микроскопии.
Установлено, что частицы Super P и NCM расположены в режиме контакта точка-точка.
Однако ОУНТ были намотаны на частицы NCM, образуя проводящее покрытие. Кроме того, в промежутках между частицами NCM наблюдались сети связанных между собой ОСУНТ.
Нанолисты графена также были намотаны вокруг частиц электрода NCM, но не так равномерно, как ОСУНТ.
ОУНТ оказались лучшим проводящим наполнителем для электродов NCM.
«Измеренная проводимость соответствует теории перколяции … Когда к изолирующей матрице добавляется электропроводящий наполнитель, после образования первого проводящего пути через композит произойдет значительное увеличение проводимости », – сказал Гуихуа Юй, один из авторов.
Поскольку перколяция требует полного прохождения через наполнитель, необходимо достаточное количество проводящего наполнителя. Поэтому исследователи рассмотрели различные количества наполнителя и обнаружили, что сочетание электродов NCM всего с 0.16% по весу SWCNT дают хорошую электропроводность.
Для достижения тех же результатов требовалось большее количество Super P и графена.
Исследователи использовали несколько спектроскопических методов, включая спектроскопию комбинационного рассеяния света и рентгеновскую абсорбционную спектроскопию, для изучения полученных композитов.
"Это совместные усилия Центра мезомасштабных транспортных свойств, исследовательского центра Energy Frontier при поддержке U.S.
Программа Министерства энергетики по фундаментальным энергетическим наукам. Наши результаты показывают, что интеграция ОСУНТ в электрод NCM способствует переносу ионов и заряда.
Это приведет к более высокому электрохимическому использованию, особенно при высоких скоростях разряда », – сказал Юй.