211service.com
Batterijen die in enkele seconden worden opgeladen
Een nieuwe manier om batterij-elektroden te maken op basis van metaalschuim met nanostructuur is gebruikt om een lithium-ionbatterij te maken die in twee minuten voor 90 procent kan worden opgeladen. Als de methode kan worden gecommercialiseerd, kan dit leiden tot laptops die in een paar minuten worden opgeladen of mobiele telefoons die in 30 seconden worden opgeladen.
Schuimkracht: Deze lithium-ion batterij kathode kan worden gebruikt om een batterij te maken die evenveel energie bevat als een conventionele, maar honderd keer sneller kan opladen.
De methoden die worden gebruikt om de ultrasnel opladende elektroden te maken, zijn compatibel met een reeks batterijchemie; de onderzoekers hebben ze ook gebruikt om nikkel-metaalhydridebatterijen te maken, het soort dat veel wordt gebruikt in hybride en elektrische voertuigen.
Hoe snel een batterij kan opladen en die kracht vervolgens kan vrijgeven, wordt voornamelijk beperkt door de beweging van elektronen en ionen in en uit de kathode, de elektrode die tijdens het opladen negatief is. Onderzoekers hebben geprobeerd nanogestructureerde materialen te gebruiken om het proces te verbeteren, maar er is meestal een afweging tussen de totale energieopslagcapaciteit (die bepaalt hoe lang een batterij kan werken voordat hij moet worden opgeladen) en oplaadsnelheden. Mensen hebben de helft van het probleem opgelost, zegt Paul Braun , hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign.
De groep van Braun heeft zeer poreuze metaalschuimen gemaakt die zijn gecoat met een grote hoeveelheid actieve batterijmaterialen. Het metaal biedt een hoge elektrische geleidbaarheid en hoewel het poreus is, bevat de structuur voldoende actief materiaal om voldoende energie op te slaan. De poriën zorgen ervoor dat ionen ongehinderd kunnen bewegen.
De eerste stap bij het maken van de kathoden is het creëren van een suspensie van polymeerbolletjes op het oppervlak van een geleidend substraat. Door hun vorm en oppervlaktelading assembleren de bollen zichzelf tot een regelmatig patroon. De onderzoekers uit Illinois gebruiken vervolgens een veelgebruikte techniek genaamd galvaniseren om de ruimte tussen de bollen met nikkel te vullen. Vervolgens lossen ze de polymeerbolletjes en het grootste deel van het metaal op om een nikkelspons achter te laten die voor ongeveer 90 procent open ruimte is. Ten slotte laten ze het actieve materiaal bovenop de spons groeien.
Het is enige afstand tot een product, maar we hebben behoorlijk goede laboratoriumdemo's met nikkel-metaalhydride- en lithium-ionbatterijen, zegt Braun. De Illinois-groep heeft lithium-ionbatterijen gemaakt die in ongeveer twee minuten bijna volledig worden opgeladen. De methode moet toepasbaar zijn op de celgroottes die nodig zijn voor laptops en elektrische auto's, hoewel de onderzoekers die nog niet hebben gemaakt.
De prestatie die ze kregen is ongekend, zegt Andreas Stein, hoogleraar scheikunde aan de Universiteit van Minnesota. Stein was de pionier van de methode voor het modelleren van polymeerdeeltjes die de groep van Braun gebruikte. Het werk van Braun wordt beschreven in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .
Jeff Dahn , hoogleraar natuurkunde aan de Dalhousie University, betwijfelt of deze elektroden ooit in producten terecht zullen komen. Als je kijkt naar het stroomschema voor het maken van deze structuur, is het behoorlijk ingewikkeld, en dat zal duur zijn, zegt hij.
Braun erkent: er zijn veel mensen die elegante [elektrode-]structuren bedenken, maar het vervaardigen ervan is lastig. Hij zegt echter dat zijn fabricageproces bestaande methoden combineert die momenteel veel worden gebruikt om andere producten te maken, zo niet om batterijen te maken, en dat het niet al te moeilijk moet zijn om ze aan te passen. Het proces zou extra stappen toevoegen aan het maken van een batterij, maar deze stappen zijn niet bijzonder duur of complex, zegt Braun.
De groep van Braun zal vervolgens de elektrodestructuur testen met een breder scala aan batterijchemie en werken aan het verbeteren van de andere helft van de batterijen, de anode - een lastiger project.