211service.com
Een eenvoudige manier om de batterijopslag te vergroten
Elektroden van lithium-ionbatterijen die aan elkaar zijn gebonden door een nieuw, sterk geleidend materiaal, hebben een veel grotere opslagcapaciteit - een ontwikkeling die uiteindelijk het bereik van elektrische auto's en de levensduur van smartphonebatterijen zou kunnen vergroten zonder de kosten ervan te verhogen. In tegenstelling tot veel elektroden met hoge capaciteit die de afgelopen jaren zijn ontwikkeld, kunnen deze worden gemaakt met behulp van de apparatuur die al in de batterijfabrieken van vandaag te vinden is.
Batterij bindmiddel: Dit microscopiebeeld toont een siliciumelektrode vóór het opladen (links) en na 32 cycli. Een nieuw bindmiddel houdt de deeltjes dicht bij elkaar.
De sleutel is een rekbaar, sterk geleidend polymeerbindmiddel dat kan worden gebruikt om silicium, tin en andere materialen die veel energie kunnen opslaan, maar die gewoonlijk onstabiel zijn, bij elkaar te houden. Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory hebben dit nieuwe polymeerbindmiddel nauwgezet ontwikkeld en gebruikt om een siliciumanode te maken voor een oplaadbare lithium-ionbatterij met een opslagcapaciteit die 30 procent groter is dan die op de huidige markt. Het is ook stabieler in de tijd dan eerder ontwikkelde elektroden.
Wanneer een lithium-ionbatterij wordt opgeladen, worden lithiumionen opgenomen door een van de elektroden, de anode genaamd. Hoe meer lithium de anode kan bevatten, hoe meer energie de batterij kan opslaan. Silicium is een van de meest veelbelovende anodematerialen: het kan 10 keer meer lithium opslaan dan grafiet, dat wordt gebruikt om de anodes te maken in de lithium-ionbatterijen die momenteel op de markt zijn. Grafiet neemt lithium op als een spons en behoudt zijn vorm, maar silicium lijkt meer op een ballon, zegt Gao Liu , een onderzoeker bij de Environmental Energy Technologies Division van Berkeley Lab.
Omdat de siliciumanoden echter opzwellen en krimpen en drie of vier keer in volume veranderen als ze worden opgeladen en ontladen, neemt de capaciteit van de batterij na verloop van tijd af. Na een paar keer opladen en ontladen hebben de siliciumdeeltjes al snel geen contact meer met elkaar, waardoor de anode geen elektriciteit kan geleiden, zegt Liu.
Een benadering van het probleem is om deze anoden op een totaal andere manier te structureren, bijvoorbeeld door het groeien van ruige reeksen silicium nanodraden die kunnen buigen, zwellen en bewegen als lithium binnenkomt en verlaat. Deze aanpak wordt gecommercialiseerd door Amprius, een startup in Palo Alto, Californië. Maar het kweken van nanodraden vereist nieuwe processen die normaal niet worden gebruikt bij de productie van batterijen.
De anodes van tegenwoordig worden gemaakt door een op oplosmiddelen gebaseerde suspensie van grafietdeeltjes te verven die bij elkaar worden gehouden met een bindmiddel, een eenvoudig proces dat de kosten laag houdt. De Berkeley-onderzoekers geloven dat de sleutel tot het maken van nieuwe batterijmaterialen zoals silicium, is om vast te houden aan dit productieproces. Dat betekende het bedenken van een rubberachtig bindmiddel dat aan siliciumdeeltjes zou blijven kleven, zeer geleidend zou blijven in de ruwe omgeving van de anode, en zou uitrekken en samentrekken als de anode opzwelt en leegloopt.
Het meeste werk aan geavanceerde batterijen was gericht op de actieve materialen, maar we hebben deze materialen tot het uiterste gedreven, zegt Yury Gogotsi , hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de Drexel University. Wat ons nu beperkt, zijn de bindmiddelen.
Liu las artikelen over bindmiddelen voor siliciumbatterijen en merkte dat onderzoekers fatale fouten maakten - het kiezen van polymeren die hun geleidbaarheid verliezen in het soort omstandigheden dat wordt aangetroffen in een anode, bijvoorbeeld. Hij werkte samen met theoretische chemici om een lijst op te stellen van polymeren met de juiste elektrische eigenschappen voor de klus. Toen ze er eenmaal een hadden gevonden, veranderden ze het om het veel plakkeriger te maken. Nadat ze dit nieuwe materiaal hadden ontwikkeld en gekarakteriseerd, waren ze in staat om met conventionele processen siliciumanoden te maken en deze in batterijen te testen.
De anodes van de Berkeley-groep zijn getest in meer dan 650 oplaadcycli. Ze behouden een opslagcapaciteit van 1400 milliampère uur per gram - veel meer dan de ongeveer 300 die door conventionele anoden worden opgeslagen. Volledige batterijen waarin de anodes zijn verwerkt, slaan ongeveer 30 procent meer totale energie op dan een commerciële lithium-ionbatterij. Doorgaans neemt de batterijcapaciteit met ongeveer 5 procent per jaar toe, merkt Liu op. Hij zegt dat ze het bindmiddel hebben getest in andere batterijanoden, inclusief die van tin, die vergelijkbare mogelijkheden en problemen hebben, en dat het voor dergelijke materialen zou moeten werken.
De opslagcapaciteit van deze batterijen is bijna net zo goed als die gemaakt van pure silicium nanodraden zonder bindmiddelen, zegt Yi Cui , hoogleraar materiaalkunde en techniek aan Stanford en een van de oprichters van Amprius. Dat is indrukwekkend, zegt hij, aangezien het bindmiddel geen lithium opslaat.
Liu's groep werkt nu samen met onderzoekers van 3M aan het anode-onderzoek. 3M breidt de productie uit van op silicium gebaseerde batterijmaterialen die zijn ontworpen om niet zo veel uit te zetten tijdens het opladen, zegt Kevin Eberman, die producten voor batterijmaterialen ontwikkelt bij 3M Elektronica in St. Paul, Minnesota. Maar om ze te laten werken, is een goede binder essentieel. Het bedrijf levert de Berkeley-groep materialen om te testen. Liu zegt dat de Berkeley-groep de bindmiddelen heeft gepatenteerd en in gesprek is met een paar bedrijven over manieren om ze te commercialiseren.