211service.com
3M's lithium-ionbatterijen met hogere capaciteit
Tegen het einde van volgend jaar zullen ingenieurs van 3M , gevestigd in St. Paul, MN, verwacht voor batterijfabrikanten nieuwe materialen en productiemethoden te hebben die 30 procent meer capaciteit aan lithium-ionbatterijen zullen toevoegen. Deze nieuwe methoden zullen ook de veiligheidsproblemen rond het gebruik van dergelijke batterijen in laptops aanpakken.
De recente terugroepacties van Sony's lithium-ion-laptopbatterijen, uit angst dat de batterijen vlam zouden kunnen vatten, omvatten de batterijen die in sommige Dell- en Apple-computers worden gebruikt en kunnen oplopen tot maar liefst 9,6 miljoen laptopbatterijen. Het is dus geen verrassing dat, hoewel Sony zegt dat er veranderingen zijn aangebracht in fabrieken die het probleem zouden moeten oplossen, veel fabrikanten op zoek zijn naar veiligere technologie. Maar alternatieven voor conventionele lithium-ionbatterijen hebben de neiging om compromissen te bieden, zoals hogere kosten of verminderde energieopslagcapaciteit (zie Veiliger, batterijen met hogere capaciteit en Hoe toekomstige batterijen langer meegaan en veiliger zullen zijn).
De vooruitgang van 3M omvat nieuwe elektrolyten en elektrodematerialen. Hoewel beide materialen meer zullen kosten dan conventionele lithium-ionbatterijen, zou de toegevoegde energiecapaciteit van de elektrodematerialen de kosten moeten compenseren door de belangrijkste maatstaf voor de batterijprijs, de kosten per wattuur, te verlagen, zegt 3M-onderzoeksspecialist Mark Obrovac.
Het bedrijf pakt de veiligheid van batterijen aan door de elektrolyten te verbeteren, de vloeistof in lithium-ionbatterijen die lithiumionen geleidt maar elektronen blokkeert, waardoor ze door een extern circuit moeten reizen om een apparaat van stroom te voorzien. Onder bepaalde omstandigheden, zoals wanneer een batterij overladen of oververhit is of een interne kortsluiting heeft veroorzaakt door schade of fabricageproblemen, kan de elektrolyt chemisch reageren met materialen in de batterij-elektroden. In sommige gevallen kan de batterij exploderen, waarbij elektrolyt in de omringende lucht wordt gespoten, waar het kan ontbranden als een vlammenwerper, zegt Obrovac.
Het bedrijf heeft additieven ontwikkeld voor bestaande elektrolyten, evenals nieuwe elektrolyten die niet reageren met de elektroden. Inderdaad, wanneer ze worden blootgesteld aan een open vlam, vatten de veiligere elektrolyten geen vlam. Als een toegevoegde bonus, zegt Doug Magnuson, technisch manager batterijonderzoek van 3M, werken de nieuwe chemicaliën beter bij extreem lage temperaturen, zoals min 40 graden Celsius, waarbij andere elektrolyten de ionenstroom blokkeren en de batterijcapaciteit effectief met 80 tot 90 procent verminderen . Dit capaciteitsverlies is nu een belangrijke belemmering voor het gebruik van lithium-ionbatterijen in hybride voertuigen, die aan deze omstandigheden kunnen worden blootgesteld. De nieuwe elektrolyten zouden ervoor zorgen dat ionen vrijer kunnen stromen bij deze temperaturen, waardoor de verliezen mogelijk worden beperkt tot ongeveer 40 procent van de capaciteit, schat Obrovac.
3M-ingenieurs zeggen ook dat nieuwe elektrodematerialen de energiecapaciteit van de batterij met 30 procent zullen verbeteren. Zo vervangt het bedrijf de huidige anodematerialen, gebaseerd op grafiet, door een op silicium gebaseerde anode die de hoeveelheid lithiumionen moet verdubbelen die de anode kan opslaan. De capaciteit van lithium-ionbatterijen wordt beperkt door de hoeveelheid lithium die in elektroden kan worden opgeslagen. Grafietanoden kunnen zes koolstofatomen nodig hebben om slechts één lithiumion op te slaan. Elektroden die metalen en metalloïden zoals tin of silicium bevatten, kunnen veel meer lithiumionen bevatten - bijvoorbeeld bijna vier ionen voor elk siliciumatoom - door legeringen te vormen.
Maar dergelijke elektroden waren onpraktisch omdat het materiaal kan opzwellen tot drie keer zijn oorspronkelijke grootte omdat het lithiumionen bevat. Dergelijke dramatische veranderingen in grootte richten grote schade aan op een cel, waardoor de levensduur ervan wordt verkort.
De aanpak van 3M vermindert de hoeveelheid die de anode uitzet door amorf silicium te gebruiken in plaats van kristallijn silicium, en dit te combineren met inerte materialen, waardoor het systeem wordt gestabiliseerd. 3M-ingenieurs hebben ook betere methoden ontwikkeld om de materialen op de films te deponeren die later worden opgerold om een cilindrische batterij te vormen. Deze methoden zijn ze nu aan het optimaliseren voor grootschalige productie.
De nieuwe materialen verminderen, maar elimineren niet uitzetting en samentrekking als de ionen in en uit de anode bewegen. Als gevolg hiervan ontwikkelen de onderzoekers nieuwe batterijontwerpen die de veranderingen in grootte kunnen opvangen. Obrovac zegt dat deze ontwerpen, samen met de nieuwe elektrode- en elektrolytmaterialen, klaar moeten zijn voor batterijfabrikanten om ergens volgend jaar in hun producten te integreren.
Ted Miller, supervisor van geavanceerde batterijtechnologie bij Ford Motor , in Dearborn, MI, zegt dat een overstap van grafiet naar dit soort anodes, naast het bieden van capaciteitswinst, essentieel is om het hoofd te bieden aan extreem koude omstandigheden waaraan ze kunnen worden blootgesteld in voertuigtoepassingen. Onder deze omstandigheden kan het opladen van een batterij ervoor zorgen dat lithiummetaal zich ophoopt, wat soms in enkele minuten tijd voor vele maanden schade aan de batterij kan veroorzaken. Door weg te gaan van grafiet, worden de reacties voorkomen die leiden tot de opbouw van lithium-metaal, zegt Miller.
Tot nu toe wordt er slechts één anode op basis van een legering commercieel gebruikt: een batterij van Sony genaamd Nexelium, die een anode op basis van tin gebruikt. Maar deze technologie zal vaker verschijnen, volgens materiaalwetenschapper MIT Yet-Ming Chiang . Het is een heel logische richting voor batterijbedrijven om in te slaan, zegt hij.