Ondanks de snelle ontwikkeling van elektrische voertuigen (EV’s) blijft de veiligheid van lithium-ionbatterijen (Li-ion) een punt van zorg, aangezien deze een brand- en explosierisico vormen. Van de verschillende benaderingen om dit probleem aan te pakken, hebben Koreaanse onderzoekers halfgeleidertechnologie gebruikt om de veiligheid van Li-ion-batterijen te verbeteren. Een onderzoeksteam van het Korea Institute of Science and Technology (KIST) onder leiding van Dr. Joong Kee Lee van het Center for Energy Storage Research is erin geslaagd de groei van dendrieten te remmen, kristallen met meerdere vertakkingen die branden in EV-batterijen veroorzaken door beschermende halfgeleiders te vormen. passivatielagen op het oppervlak van Li-elektroden.

Wanneer Li-ion-batterijen worden opgeladen, worden Li-ionen naar de anode (de negatieve elektrode) getransporteerd en als Li-metaal op het oppervlak afgezet; op dit punt worden boomachtige dendrieten gevormd. Deze Li-dendrieten zijn verantwoordelijk voor de oncontroleerbare volumetrische schommelingen en leiden tot reacties tussen de vaste elektrode en de vloeibare elektrolyt, waardoor brand ontstaat. Het is niet verwonderlijk dat dit de prestaties van de batterij ernstig verslechtert.

Om dendrietvorming te voorkomen stelde het onderzoeksteam fullereen (C60), een zeer elektronisch geleidend halfgeleidermateriaal, bloot aan plasma, wat resulteerde in de vorming van halfgeleidende passivatie-koolstoflagen tussen de Li-elektrode en de elektrolyt. De halfgeleidende passivatie-koolstofhoudende lagen laten Li-ionen door terwijl ze elektronen blokkeren als gevolg van het genereren van een Schottky-barrière, en door te voorkomen dat elektronen en ionen op het elektrodeoppervlak en binnenin interageren, stoppen ze de vorming van Li-kristallen en de daaruit voortvloeiende groei van dendrieten. .

*fullereen: een specifieke fysieke vorm van koolstof waarin 60 koolstofatomen zijn verbonden door enkele en dubbele bindingen in een vijfhoekige vorm om een ​​voetbalachtige vorm te vormen

De stabiliteit van de elektroden met de halfgeleidende passivatie-koolstoflagen werd getest met behulp van Li/Li-symmetrische cellen in extreme elektrochemische omgevingen waar typische Li-elektroden stabiel blijven gedurende maximaal 20 laad-/ontlaadcycli. De nieuw ontwikkelde elektroden vertoonden een aanzienlijk verbeterde stabiliteit, waarbij de groei van Li-dendriet tot wel 1,200 cycli werd onderdrukt. Bovendien bleef bij gebruik van een lithiumkobaltoxide (LiCoO2)-kathode naast de ontwikkelde elektrode na 81 cycli ongeveer 500% van de initiële batterijcapaciteit behouden, wat een verbetering van ongeveer 60% vertegenwoordigt ten opzichte van conventionele Li-elektroden.

Hoofdonderzoeker Dr. Joong Kee Lee zei: “De effectieve onderdrukking van de dendrietgroei op Li-elektroden is van cruciaal belang voor het verbeteren van de veiligheid van de batterij. De technologie voor het ontwikkelen van zeer veilige Li-metaalelektroden die in dit onderzoek wordt voorgesteld, biedt een blauwdruk voor de ontwikkeling van batterijen van de volgende generatie die geen brandgevaar opleveren.” Zoals Dr. Lee uitlegt, is het volgende doel van zijn team het verbeteren van de commerciële levensvatbaarheid van deze technologie: “We streven ernaar om de fabricage van de halfgeleidende, passieve koolstofhoudende lagen kosteneffectiever te maken door fullereen te vervangen door goedkopere materialen.”

###

Dit onderzoek werd uitgevoerd als onderdeel van een institutioneel R&D-project van KIST en een mid-career onderzoeksproject. Het ontving ook financiering als een uitstekend nieuw overzees onderzoeksproject van de National Research Foundation of Korea, met de steun van het Ministerie van Wetenschap en ICT (MSIT). De resultaten van dit onderzoek zijn gepubliceerd in het laatste nummer van ‘ACS Energy Letters‘ (IF: 19.003, Top 1.852% in JCR), een zeer gerespecteerd internationaal tijdschrift op het gebied van materiaalkunde.