211service.com
Betere lithium-ionbatterijen
Een nieuwe incarnatie van lithium-ionbatterijen op basis van vaste polymeren is in de maak. Op Berkeley, CA gebaseerde startup Seeo, Inc . zegt dat zijn lithium-ioncellen veiliger, duurzamer, lichter en goedkoper zullen zijn dan de huidige batterijen. De batterijen van Seeo gebruiken dunne films van polymeer als elektrolyt en lichtgewicht elektroden met hoge energiedichtheid. Lawrence Berkeley National Laboratory maakt en test nu cellen die zijn ontworpen door de spin-off van Berkeley van de University of California.
Stoer en compact: Lithium-ioncellen die polymeerelektrolyten gebruiken, kunnen betaalbaar worden verpakt in compacte, flexibele zakjes (hierboven weergegeven), in plaats van de lasergelaste metalen containers die in de huidige cellen worden gebruikt.
Lithium-ionbatterijen worden gebruikt in mobiele telefoons en laptops omdat ze kleiner en lichter zijn dan andere soorten batterijen. Ze zijn ook veelbelovend voor elektrische en hybride voertuigen. Conventionele materialen en chemie hebben echter verhinderd dat ze op grote schaal in auto's worden gebruikt.
De huidige lithium-ionbatterijen gebruiken lithiumkobaltoxide-elektroden en een vloeibare elektrolyt, meestal lithiumzouten opgelost in een organisch oplosmiddel. Het elektrodemateriaal kan zuurstof afgeven bij overbelasting of doorprikken, waardoor het ontvlambare oplosmiddel vlam vat en de batterij explodeert. Bovendien zijn de geladen elektroden zeer reactief met de vloeibare elektrolyt, wat het vermogen en de [levensduur] vermindert, zegt Khalil Amine , manager van de geavanceerde batterijtechnologiegroep bij Argonne National Laboratory.
De belangrijkste doorbraak van Seeo is een vast polymeerelektrolyt. Het is niet ontvlambaar en dus inherent veiliger. Bovendien zal de batterij na verloop van tijd meer van zijn capaciteit behouden omdat het polymeer niet reageert met de geladen elektrode. Levenslange gegevens suggereren dat conventionele lithium-ionsystemen in 500 cycli ongeveer 40 procent aan capaciteit verliezen, zegt Mohit Singh, de medeoprichter van Seeo. We krijgen een veel beter cyclusleven. We kunnen 1000 cycli doorlopen met minder dan 5 procent capaciteitsverlies.
Voor de negatieve elektrode of anode werkt de elektrolyt ook met lithiummetaalfilms, die lichter zijn dan de huidige anodematerialen. Dat betekent dat de batterij meer energie kan leveren voor hetzelfde gewicht. Op basis van de enkele cel van de batterij heeft Seeo berekend dat deze een energiedichtheid tot 300 wattuur per kilogram zou hebben, wat 50 procent hoger is dan de lithium-ionbatterijen die momenteel op de markt zijn.
Batterijen met vaste elektrolyten hebben de toegevoegde bonus dat ze goedkoper te produceren zijn, zegt Amine. Terwijl vloeibare elektrolyten goed moeten worden afgesloten in een lasergelaste metalen container, kunnen plastic elektrolyten worden verpakt in hitteverzegelde zakjes.
De voordelen van polymeermaterialen rechtvaardigen al meer dan drie decennia onderzoek naar polymeerelektrolyten. Lithium-polymeerbatterijen worden zelfs al aangetroffen in radiografisch bestuurbare auto's en mp3-spelers. Maar ze gebruiken een polymeergel die oplosmiddelen bevat, dus net als vloeibare elektrolyten dragen ze het risico van brand of explosie en hebben ze geen erg lange levensduur.
Het was moeilijk om vaste polymeren te maken die net zo geleidend zijn als vloeibare elektrolyten. In een oplaadbatterij geleidt de elektrolyt lithiumionen van de positieve elektrode, of kathode, naar de anode. Hoe hoger de geleidbaarheid van de elektrolyt, hoe sneller de batterij wordt opgeladen. St. Paul, MN-gebaseerd 3M en in Montreal, Canada gevestigde elektriciteitsleverancier Hydro-Quebec hebben meer dan 10 jaar op lithiumbatterijen van vaste polymeer doorgebracht. Maar je moet het polymeer bij 60 graden Celsius laten werken om de geleidbaarheid te verbeteren, zegt Amine. Dit is niet erg praktisch.
Het probleem is dat de geleidbaarheid en mechanische sterkte van een polymeer niet hand in hand gaan. Als mensen probeerden polymeren te maken met een hoge ionische geleidbaarheid, zouden ze eindigen met een puinhoop, zegt Singh.
Seeo heeft het probleem omzeild door films te maken met blokcopolymeren: materialen die twee gekoppelde polymeerketens bevatten die zichzelf assembleren tot nanostructuren. Een van de polymeren vormt een reeks geleidende cilinders die zijn ingebed in het andere polymeer, dat dient als een harde matrix. Singh zegt dat de elektrolytfilm robuust is en bijna net zo geleidend is als vloeibare elektrolyten.
De technologie van Seeo is erg aantrekkelijk geworden vanwege de claim van een hooggeleidend polymeer, zegt Amine. De lithiumanode zou echter een showstopper kunnen zijn. Lithium heeft de neiging om aan het oppervlak ruw te worden en kristaldendrieten te laten groeien die de kathode kunnen bereiken en de batterij kunnen kortsluiten. Het bedrijf zal langdurige tests moeten doen om aan te tonen dat zijn polymeer hard genoeg is om de dendrieten te blokkeren.
Polymeerelektrolyten hebben ook een groot inherent nadeel. Polymeren zullen altijd worden beperkt door een lagere ionische geleidbaarheid in vergelijking met vloeistoffen, zegt Singh. Dit betekent dat de batterij van Seeo beperkt zou zijn voor gebruik in laptops en elektrische voertuigen. Maar deze polymeren zouden niet geschikt zijn voor snellaadtoepassingen zoals hybride elektrische voertuigen of elektrisch gereedschap.