211service.com
Batterijen die langer meegaan voor laptops
Conventionele lithium-ionbatterijen in laptops en mobiele telefoons verliezen snel hun vermogen om energie op te slaan en kunnen vlam vatten als ze overladen of beschadigd raken. Nu onderzoekers van Nationaal laboratorium Argonne in Argonne, IL, hebben composietbatterijmaterialen ontwikkeld die dergelijke batterijen zowel veiliger als langer meegaan, terwijl hun capaciteit om energie op te slaan met 30 procent wordt vergroot.
Krachtige deeltjes: Nieuwe materialen voor lithium-ionbatterij-elektroden, hier getoond onder een elektronenmicroscoop, kunnen meer energie opslaan, en dus veiliger, dan conventionele lithium-ionbatterijen in laptops en mobiele telefoons.
Vorige maand hebben de onderzoekers een belangrijke stap gezet in de richting van commercialisering van de technologie door deze in licentie te geven aan een groot materiaalleverancier, Toda Kogyo, gevestigd in Japan. Het bedrijf heeft de capaciteit om de materialen voor ongeveer 30 miljoen laptopbatterijen per jaar te maken, zegt Gary Henriksen, die bij Argonne elektrochemisch opslagonderzoek leidt.
De nieuwe materialen zijn een voorbeeld van een nieuwe generatie lithium-ion-elektrodechemie die de tekortkomingen van conventionele lithium-ionbatterijen aanpakt. Elk heeft zijn eigen afwegingen. Een ander materiaal dat lithiumijzerfosfaat wordt genoemd, heeft bijvoorbeeld een betere veiligheid en duurzaamheid dan de materialen van Argonne, maar het slaat iets minder energie op dan conventionele lithium-ionbatterijen. De materialen van Argonne verbeteren de veiligheid en betrouwbaarheid van de huidige laptopbatterijen, terwijl ze ook meer energie opslaan.
De onderzoekers van Argonne hebben de prestaties van de positieve elektroden verbeterd door de chemische en structurele stabiliteit van de materialen die al in laptopbatterijen worden gebruikt te vergroten. In conventionele lithium-ionbatterijen, die kobaltoxide-elektroden hebben, kan een kleine hoeveelheid oververhitting, veroorzaakt door overlading van het materiaal of door kortsluiting in een batterij, leiden tot snel stijgende temperaturen in de cel en in sommige gevallen tot verbranding. Dat komt omdat, als het materiaal oververhit raakt, het kobaltoxide gemakkelijk zuurstof afgeeft, dat reageert met het oplosmiddel in de elektrolyt van de batterij en meer warmte genereert, waardoor de reacties worden gevoed. De onderzoekers van Argonne hebben dit probleem aangepakt door een deel van het kobaltoxide te vervangen door mangaanoxide, dat chemisch stabieler is.
De volgende stap van de onderzoekers was om enkele van de actieve metaaloxidematerialen in de elektrode te vervangen door een verwant maar elektrochemisch inactief materiaal, waardoor een composiet werd gevormd. Dit materiaal slaat geen energie op, omdat het geen lithiumionen afgeeft en opneemt wanneer de batterij wordt opgeladen en ontladen. (Lithium-ionbatterijen wekken elektrische stroom op als lithiumionen pendelen tussen positieve en negatieve elektroden.) Het inactieve materiaal maakt het composiet stabieler dan conventionele elektrodematerialen, wat betekent dat het langer meegaat. Eén versie van het materiaal kan 1500 ladingen en ontladingen meegaan zonder veel capaciteit te verliezen, zegt hij. Dat is meer dan het dubbele van de levensduur van conventionele laptopbatterijen.
Bovendien heeft het verminderen van de hoeveelheid actief, energieopslaand materiaal het contra-intuïtieve effect van het vergroten van de opslagcapaciteit van het composiet. Als er te veel lithium wordt verwijderd uit conventionele kobaltoxidematerialen, degradeert het materiaal en verliest het snel zijn vermogen om volledig op te laden en te ontladen. Het inactieve materiaal maakt het mogelijk om veel meer lithium te gebruiken zonder het materiaal te beschadigen.
Het elektrodemateriaal kan 45 tot 50 procent meer energie opslaan dan de beste elektroden in laptopbatterijen. In termen van een volledige batterijcel - aangezien de positieve elektrode minder dan de helft van het totale gewicht en volume van een batterijcel vertegenwoordigt - kan de totale energieopslag van de batterij met 20 tot 30 procent worden verbeterd, zegt Henriksen.
De volgende stap van de onderzoekers is het verbeteren van de snelheid waarmee het composietmateriaal kan worden opgeladen en ontladen, zodat het kan worden gebruikt in hybride voertuigen. Zoals het nu is gemaakt, kan het Argonne-materiaal in ongeveer drie uur volledig worden ontladen - snel genoeg voor laptops maar veel te langzaam voor een auto. De ontlaadsnelheden zullen minstens drie keer sneller moeten zijn, en waarschijnlijk meer, om de technologie te laten werken in plug-in hybrides, voertuigen waarin de batterij kan worden opgeladen via een conventioneel stopcontact.
Yet-Ming Chiang, een professor in materiaalkunde en techniek aan het MIT, zegt dat het nieuwe materiaal een significante verbetering is ten opzichte van lithium-kobaltoxide voor laptopbatterijen. Als je erover nadenkt in termen van een veld dat 8 tot 9 procent per jaar groeit, heb je jezelf net drie jaar bespaard. Misschien ben je de concurrentie voor, zegt hij. Ik weet zeker dat iedereen die batterijen voor mobiele telefoons en laptops maakt, heel blij zou zijn met zo'n voorsprong.