«Когда литиевые батареи заряжены в первый раз, когда они проигрывают где угодно от 5-20%-й энергии в том первом цикле», говорит Янг. «Посредством нашего дизайна мы были в состоянии получить назад эту потерю, и мы думаем, что у нашего метода есть большой потенциал, чтобы увеличить операционное время батарей для портативной электроники и электрических транспортных средств».Во время первого обвинения литиевой батареи после ее производства часть жидкого электролита уменьшена до твердой фазы и покрыта на отрицательный электрод батареи. Этот процесс, обычно делавшийся перед батареями, отправлен из фабрики, необратимо и понижает энергию, сохраненную в батарее. Потеря составляет приблизительно 10% для современных отрицательных электродов, но может достигнуть целых 20-30% для отрицательных электродов следующего поколения с высокой производительностью, таких как кремний, потому что у этих материалов есть расширение большого объема и высокая площадь поверхности.
Большая начальная потеря уменьшает достижимую способность в полной клетке и таким образом ставит под угрозу выгоду в плотности энергии и ездящей на велосипеде жизни этих наноструктурированных электродов.Традиционный подход к компенсации за эту потерю должен был поместить определенные богатые литием материалы в электрод. Однако большинство этих материалов не стабильно в атмосферном воздухе. Производственные батареи в сухом воздухе, у которого нет влажности вообще, являются намного более дорогим процессом, чем производство в атмосферном воздухе.
Янг развивал новую trilayer структуру электрода, чтобы изготовить lithiated аноды батареи в атмосферном воздухе. В этих электродах он защитил литий со слоем полимера PMMA, чтобы препятствовать тому, чтобы литий реагировал с воздухом и влажностью, и затем покрыл PMMA такими активными материалами как искусственный графит или кремниевые наночастицы. Слой PMMA был тогда расторгнут в электролите батареи, таким образом выставив литий материалам электрода. «Этот способ, которым мы смогли избежать любого контакта с воздухом между нестабильным литием и lithiated электродом», объясняет Янг, «таким образом, trilayer-структурированный электрод может управляться в атмосферном воздухе. Это могло быть привлекательным продвижением к массовому производству lithiated электродов батареи."
Метод Янга понизил способность потерь в современных электродах графита с 8% до 0,3%, и в кремниевых электродах, с 13% до-15%. Число на-15% указывает, что было больше лития, чем необходимый, и «дополнительный» литий может использоваться, чтобы далее увеличить ездящую на велосипеде жизнь батарей, поскольку избыток может дать компенсацию за полную потерю в последующих циклах. Поскольку плотность энергии или способность, литий-ионных аккумуляторов увеличивалась на 5-7% ежегодно за прошлые 25 лет, результаты Янга указывают на возможное решение увеличить мощность литий-ионных аккумуляторов. Его группа теперь пытается уменьшить толщину полимерного покрытия так, чтобы это заняло меньший объем в литиевой батарее, и расширять его технику.
«Эта структура электрода с тремя слоями – действительно умный дизайн, который позволяет обработать электродов «литиевый металл, содержащий» под внешними условиями», отмечает Хайлян Вана, доцента химии в Йельском университете, который не был связан с исследованием. «Начальная эффективность Coulombic электродов – большое беспокойство о промышленности литий-ионного аккумулятора, и этот эффективный и простой в использовании метод компенсации необратимой потере иона Ли вызовет интерес».