211service.com
Een boost voor de levensduur en capaciteit van de batterij
Een nieuwe chemische truc voor het maken van nanogestructureerde materialen kan het bereik en de betrouwbaarheid van elektrische auto's helpen vergroten en leiden tot betere batterijen die het elektriciteitsnet kunnen helpen stabiliseren.
Energie serveren: Wanneer lithium-mangaanfosfaat volgens een nieuw proces wordt gekweekt, vormt het microscopisch kleine platen (hier afgebeeld). Deze platen geleiden zowel elektronen als lithiumionen, waardoor het een bruikbaar materiaal wordt voor het opslaan van elektriciteit.
Onderzoekers aan de Nationaal laboratorium Pacific Northwest (PNNL) in Richland, WA, hebben de techniek ontwikkeld die een potentieel elektrodemateriaal dat normaal geen elektriciteit kan opslaan, kan veranderen in een materiaal dat meer energie opslaat dan vergelijkbare batterijmaterialen die al op de markt zijn.
In werk gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters laten de PNNL-onderzoekers zien dat paraffinewas en oliezuur de groei van plaatachtige nanostructuren van lithium-mangaanfosfaat stimuleren. Deze nanoplaten zijn klein en dun, waardoor elektronen en ionen (atomen of moleculen met een positieve of negatieve lading) er gemakkelijk in en uit kunnen bewegen. Dit verandert het materiaal - dat normaal gesproken niet werkt als batterijmateriaal vanwege zijn zeer slechte geleidbaarheid - in een materiaal dat grote hoeveelheden elektriciteit opslaat.
Toen de onderzoekers de prestaties van het materiaal maten, ontdekten ze dat het 10 procent meer energie kon opslaan dan de theoretische maximale energiecapaciteit van een vergelijkbaar commercieel elektrodemateriaal - lithium-ijzerfosfaat, dat wordt gebruikt in elektrisch gereedschap en sommige hybride en elektrische voertuigen .
De aanpak zou de deur kunnen openen naar het gebruik van een breed scala aan kandidaat-batterijmaterialen die nu worden beperkt door hun vermogen om elektriciteit en lithiumionen te geleiden. Onderzoek in het gebied heeft het punt bereikt waarop de meeste batterijmaterialen die nog moeten worden bestudeerd een slechte geleidbaarheid hebben, zegt Daiwon Choi, een onderzoeker naar energiematerialen bij PNNL. De nieuwe methode biedt een eenvoudige manier om hun geleidbaarheid te vergroten. Hij zegt dat de methode ook compatibel kan zijn met conventionele technieken voor het vervaardigen van batterijen.
Zowel lithium-ijzerfosfaat als lithium-mangaanfosfaat zijn aantrekkelijk bij batterij-elektroden omdat ze een stabiele atomaire structuur hebben. Deze kristallijne structuur, olivijn genaamd, is veel stabieler dan de kristalstructuur van elektrodematerialen die worden gebruikt in laptop- en mobiele telefoonbatterijen. Als gevolg hiervan kunnen olivijnmaterialen veel langer meegaan dan de drie jaar die batterijmaterialen van mobiele telefoons doorgaans meegaan. Sommige fabrikanten beweren dat lithium-ijzerfosfaatbatterijen meer dan 30.000 volledige laad- en ontlaadcycli meegaan zonder veel van hun capaciteit te verliezen om energie op te slaan - genoeg om de batterij 50 jaar mee te laten gaan, zegt Choi.
In theorie zou lithium-mangaanfosfaat een vergelijkbaar aantal cycli kunnen volhouden, omdat het een vergelijkbare kristalstructuur heeft. Maar het heeft het extra voordeel dat het mogelijk 20 procent meer energie kan opslaan dan lithium-ijzerfosfaat, omdat het op een hogere spanning werkt. Het was echter bijzonder moeilijk om lithium-mangaanfosfaat te modificeren om het feit te overwinnen dat het een elektrische isolator is.
Bij eerdere pogingen was het nodig om precursormaterialen in een vloeibare oplossing te verwerken voordat er solide batterijmaterialen werden gemaakt - een proces dat te duur is voor commerciële productie. De nieuwe methode ontwikkeld bij PNNL elimineert deze afzonderlijke vloeistofverwerkingsstap, vereenvoudigt het proces en maakt het compatibel met bestaande productietechnieken.
Om het materiaal te bereiden, mengen de onderzoekers chemische voorlopers met paraffinewas en oliezuur. De was en het zuur werken samen om ervoor te zorgen dat de voorlopermaterialen kristallen vormen met een goed gecontroleerde grootte en vorm zonder te klonteren. De was wordt vloeibaar bij de hoge temperaturen die worden gebruikt om het materiaal te verwerken en fungeert als een oplosmiddel dat de afzonderlijke vloeibare verwerkingsstap vervangt die in eerder onderzoek werd gebruikt.
Tot nu toe kan het materiaal alleen tegen lage tarieven worden opgeladen (hoewel het voor veel toepassingen snel genoeg stroom levert). Choi zegt dat een van de volgende stappen is om een beter proces te ontwikkelen voor het coaten van de nanoplaten met koolstof, wat de geleidbaarheid zou moeten verbeteren.
Hoewel lithium-mangaanfosfaat aantrekkelijk is omdat het meer energie opslaat dan lithium-ijzerfosfaat, nemen beide relatief veel volume in beslag in vergelijking met andere typen elektroden voor lithium-ionbatterijen. Jeff Dahn, hoogleraar natuurkunde en scheikunde aan de Dalhousie University, zegt dat dit ze uiteindelijk aantrekkelijker kan maken voor stationaire toepassingen, zoals het opslaan van stroom op het elektriciteitsnet om de variabiliteit van hernieuwbare bronnen te verminderen, dan voor elektrische voertuigen.