211service.com
Batterijen voor elektrische auto's die langer meegaan
In een voorschot dat elektrische voertuigen zou kunnen helpen langer te werken tussen oplaadbeurten, hebben onderzoekers aangetoond dat silicium nanobuiselektroden 10 keer meer lading kunnen opslaan dan de conventionele grafietelektroden die in lithium-ionbatterijen worden gebruikt.
Silicium opslag: Deze afbeelding van een bundel silicium nanobuisjes is gemaakt met behulp van een scanning-elektronenmicroscoop.
Onderzoekers van Stanford University en Hanyang University in Ansan, Korea, ontwikkelen de nanobuis-elektroden in samenwerking met: LG chem , een Koreaans bedrijf dat lithium-ionbatterijen maakt, inclusief de batterijen die worden gebruikt in de Chevy Volt . Wanneer zo'n batterij wordt opgeladen, gaan lithiumionen van de kathode naar de anode. De nieuwe batterij-elektroden, online beschreven in het tijdschrift Nano-letters , zijn anodes en kunnen veel meer energie opslaan dan conventionele grafietelektroden omdat ze veel meer lithium absorberen wanneer de batterij wordt opgeladen.
In een hybride auto gaat de batterij met de huidige technologie maar 30 minuten mee, zegt Jaephil Cho , hoogleraar energietechniek aan het Ulsan National Institute of Science and Technology in Korea, die het onderzoek naar nanobuisanoden leidde. Als de nieuwe siliciumanode kan worden gekoppeld aan een kathode met vergelijkbare opslagcapaciteit, moet de resulterende batterij een auto drie tot vier uur kunnen laten werken zonder opladen, zegt Cho.
Siliciumanoden hebben een hogere energieopslagcapaciteit dan conventioneel grafiet, omdat het materiaal 10 keer meer lithium kan opnemen in gewicht dan grafietkool. In feite neemt silicium zoveel lithium in beslag, dat tot wel vier keer in volume toeneemt, dat het een nadeel kan zijn. De mechanische belasting van het brosse materiaal is zo groot dat siliciumanoden de neiging hebben te barsten nadat ze slechts een paar keer zijn opgeladen en ontladen. Dus onderzoekers, waaronder Cho en Stanford materiaalwetenschapper Yi Cui , hebben nanogestructureerd silicium ontwikkeld dat is ontworpen om deze spanningen beter te weerstaan. Ze hebben silicium nanodraadanoden en nanoporeuze siliciumanoden gemaakt. Nu hebben ze samengewerkt om silicium nanobuisanoden te ontwikkelen, waarvan de opslagcapaciteit beter is dan die van andere nanogestructureerde siliciummaterialen, zegt Cho.
De anode van silicium nanobuisjes ziet eruit als een stel holle rietjes. Terwijl silicium nanodraden alleen op hun oppervlak kunnen interageren met lithium, hebben de nanobuisjes een meer blootgesteld oppervlak aan de binnenkant. De nanobuis heeft een groot oppervlak - veel meer ruimte voor reactieplaatsen dan andere soorten materialen, zegt Cho. De vorm helpt ook bij het verlichten van mechanische belasting wanneer de batterij wordt opgeladen en ontladen, omdat er extra ruimte is voor het silicium om uit te zetten en in te krimpen.
De silicium nanobuisjes worden gemaakt door een aluminium sjabloon herhaaldelijk onder te dompelen in een siliciumoplossing, deze vervolgens te verwarmen en de structuur in zuur te etsen om het aluminium te verwijderen. Het is heel eenvoudig en de sjabloon is in de handel verkrijgbaar, zegt Cho. Samen met LG Chem werkt Cho samen met de sjabloonfabrikant om een sjabloon te maken die compatibel is met grootschalige productie. Hij denkt dat batterijen met nanobuis-elektroden over drie jaar op de markt kunnen zijn.
Het is te vroeg om te bepalen of siliciumanoden de kosten van lithiumbatterijen zouden verhogen. Maar zelfs als de kosten hoger zijn, omdat je een hoge capaciteit [met silicium] kunt krijgen, zal er een voordeel zijn, zegt Arumugam Manthiram , hoogleraar engineering en energiestudies aan de Universiteit van Texas in Austin.
LG Chem is niet het enige batterijbedrijf dat werkt aan siliciumanoden; Ook 3M en Sanyo ontwikkelen de technologie. Er zijn echter nog grote uitdagingen voordat deze elektroden in voertuigaccu's worden ingebouwd, waarschuwingen Stanley Whittingham , hoogleraar materiaalkunde en scheikunde aan de State University van New York in Binghamton. Een van de problemen met silicium is het terugkrijgen van alle energie die je erin stopt, een eigenschap die coulombefficiëntie wordt genoemd. Na verloop van tijd zal steeds minder van de energie die erin wordt gestopt, ontladen uit een batterij met behulp van een siliciumanode. Cui en Cho hebben de prestaties van hun anodes aangetoond na 200 oplaadbeurten. Maar voordat een anode in een voertuig kan worden gebruikt, zegt Whittingham, moet zijn coulomb-efficiëntie worden bewezen over honderden of duizenden ladingen, en dergelijke langetermijnprestaties zijn nog niet aangetoond met silicium.
Een andere uitdaging is dat deze hoogwaardige anodes momenteel moeten worden gecombineerd met minder-stellaire kathodes. Om het voordeel van een siliciumanode volledig te benutten, heb je een kathode nodig waarvan de ladingsopslagcapaciteit ook 10 keer beter is, zegt Cui. Om ze te matchen in een werkende batterij voor het testen, worden siliciumanoden momenteel gecombineerd met kathodes met groot volume gemaakt van conventionele materialen. Cui en Cho ontwikkelen ook nieuwe kathodematerialen in samenwerking met LG Chem.