Graphene girders extend the life of lithium-ion batteries / Le strutture in grafene prolungano la vita delle batterie agli ioni di litio
Nanoscale reinforcement with graphene girders boosts performance of silicon anodes, Warwick team discovers
When you want to make a structure stronger, put a girder across it. It’s a simple principle that every civil engineer knows well. But a team at Warwick Manufacturing Group has found that it applies just as well on very small scales as in megastructures. Melanie Loveridge and colleagues are studying methods for improving lithium-ion batteries, and have found that minute girders could provide an answer to a problem that has been plaguing the field.
Ever since their first introduction in the early 1990s, the anode of lithium batteries has been made of graphite. It has long been apparent that silicon would be a better material, as it can hold ten times more charge per gramme than carbon. But the mechanics of lithium ion batteries, where lithium ions are absorbed into the anode, create problems.
When silicon is lithiated, it expands. But it is an inelastic material, and repeated expansion and contraction — as happens during charge-discharge cycles — can lead to cracking and crumbling, which makes the capacity of the battery fade over time. Graphene has been tried as a reinforcing material for nanostructured silicon, but this has led to other problems.
Loveridge’s team is looking at a material known as FLG (few-layer graphene). As the name implies, this is composed of a few connected layers of single-atom-thick graphene sheets, which can be manipulated together.
In a paper in Nature Scientific Reports, the WMG team describes how FLG can improve the performance of anodes containing micron-sized particles of silicon. The team started with a mixture of 60 per cent micro-silicon, 16 per cent FLG, 14 per cent sodium/polyacrylic acid and 10 per cent carbon additives, and put these anodes through 100 charge-discharge cycles.
“The flakes of FLG were mixed throughout the anode and acted like a set of strong, but relatively elastic, girders. These flakes of FLG increased the resilience and tensile properties of the material greatly reducing the damage caused by the physical expansion of the silicon during lithiation. The graphene enhances the long range electrical conductivity of the anode and maintains a low resistance in a structurally stable composite,” Loveridge said.
The graphene strengthens the anode and prevents silicon particles welding together / Il grafene rafforza l'anodo e impedisce la saldatura delle particelle di silicio
Moreover, she added, the graphene girders keep the silicon particles apart. In their absence, the particles tend to ‘weld’ together, restricting lithium diffusion through the anode and reducing the surface area available for lithiation.
“The presence of FLG in the mixture tested by the WMG University of Warwick led researchers to hypothesise that this phenomenon is highly effective in mitigating electrochemical silicon fusion,” Loveridge stated.
The team is now working on scaling up their graphene girders discovery to produce pouch cells based on their reinforced anodes, as part of a two-year graphene flagship project along with Varta Micro-innovations, Cambridge University, CIC, Lithops and IIT (Italian Institute of Technology).
ITALIANO
Il rinforzo in nanoscala con le strutture in grafene aumenta le prestazioni degli anodi di silicio, il gruppo di Warwick scopre
Quando vuoi rendere più forte una struttura, mettila sopra una trave. È un principio semplice che ogni ingegnere civile conosce bene. Ma un gruppo del Warwick Manufacturing Group ha riscontrato che si applica altrettanto bene su scale molto piccole come nelle megastrutture. Melanie Loveridge e colleghi stanno studiando metodi per migliorare le batterie agli ioni di litio e hanno scoperto che le travi minute potrebbero fornire una risposta a un problema che sta affliggendo la problematica.
Fin dalla loro prima introduzione nei primi anni '90, l'anodo delle batterie al litio è stato realizzato in grafite. È stato a lungo evidente che il silicio sarebbe un materiale migliore, in quanto può contenere una carica dieci volte superiore al grammo rispetto al carbonio. Ma i meccanismi delle batterie agli ioni di litio, dove gli ioni di litio sono assorbiti nell'anodo, creano problemi.
Quando il silicio è litrato, si espande. Ma è un materiale anelastico, e l'espansione e la contrazione ripetute - come accade durante i cicli di scarica di carica - possono portare a crepe e sbriciolamenti, il che rende la capacità della batteria svanire nel tempo. Il grafene è stato provato come materiale di rinforzo per il silicio nanostrutturato, ma questo ha portato ad altri problemi.
Il gruppo di Loveridge sta guardando ad un materiale noto come FLG (graphene a pochi strati). Come suggerisce il nome, questo è composto da pochi strati collegati di fogli di grafene a singolo atomo, che possono essere manipolati insieme.
In un articolo pubblicato su Nature Scientific Reports, il gruppo di WMG descrive come FLG possa migliorare le prestazioni degli anodi contenenti particelle di silicio di dimensioni dell'ordine del micron. Il gruppo ha iniziato con una miscela di microsilicio al 60%, FLG al 16%, sodio al 14% / acido poliacrilico e 10% di additivi di carbonio, ed ha provato questi anodi attraverso 100 cicli di carica-scarica.
"I fiocchi di FLG sono stati miscelati in tutto l'anodo e si sono comportati come un insieme di travi forti, ma relativamente elastici. Questi fiocchi di FLG hanno aumentato le proprietà di resilienza e trazione del materiale riducendo notevolmente il danno causato dall'espansione fisica del silicio durante la litiazione. Il grafene migliora la conduttività elettrica a lungo raggio dell'anodo e mantiene una bassa resistenza in un composito strutturalmente stabile ", ha affermato Loveridge.
Da:
https://www.theengineer.co.uk/graphene-girders-lithium-ion-batteries/?cmpid=tenews_4667373&utm_medium=email&utm_source=newsletter&utm_campaign=tenews&adg=B69ABBDE-DA23-4BA2-B8C3-86E1E1A9FA79
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