Een kleverige remedie voor barstgevoelige batterijen met hoge capaciteit

Als elektrische auto's ooit honderden kilometers moeten rijden tussen oplaadbeurten - zoals ze moeten om te concurreren met auto's op gas - zullen hun batterijen veel meer energie moeten opslaan. Helaas zijn verschillende van de meest veelbelovende batterijmaterialen met hoge capaciteit vatbaar voor breuken op manieren die een elektrische roadtrip zouden verkorten.

Genezende krachten: Scheuren gevormd in een zelfherstellende batterij-elektrode nadat deze is opgeladen (boven) beginnen na vijf uur weer af te dichten (onder). De elektrode, een mengsel van siliciummicrodeeltjes en een zelfherstellend polymeer, werd afgebeeld met behulp van een scanning elektronenmicroscoop.

Nu hebben onderzoekers van Stanford University aangetoond dat het mengen van zo'n veelbelovend batterijmateriaal, siliciummicrodeeltjes, met zelfherstellende polymeren helpt voorkomen dat een batterij met een langere levensduur faalt. Ze zeggen dat de zelfherstellende polymeren andere veelbelovende maar schadegevoelige batterijmaterialen kunnen stabiliseren.

De negatieve elektrode of anode van de zelfherstellende batterij combineert silicium met polymeren die werken als chemische ritsen, waardoor scheuren worden genezen die ontstaan ​​wanneer de batterij wordt gebruikt en opgeladen.

De zelfherstellende batterij-elektrode is tot nu toe getest met puur lithiummetaal als positieve elektrode, omdat de opslagcapaciteit veel groter is dan die van elke conventionele kathode. De zelfherstellende elektrode zelf heeft acht keer de opslagcapaciteit van de koolstofanoden in een conventionele oplaadbare lithium-ionbatterij. Indien gecombineerd met een conventionele kathode, zou het een batterij creëren die ongeveer 40 procent meer energie kan opslaan. Indien gecombineerd met een kathode met een overeenkomstig hoge capaciteit, zou de totale energieopslag worden verdubbeld of verdrievoudigd.

Terwijl eerdere siliciumbatterijen slechts 10 keer konden worden ontladen en opgeladen voordat ze kapot gingen, doorstaat de zelfherstellende batterij 100 oplaadcycli. Maar dat is nog steeds niet genoeg, erkent materiaalwetenschapper van Stanford Yi Cui . We moeten naar 500 cycli voor draagbare elektronica en een paar duizend voor elektrische voertuigen, zegt Cui.

Toch kan Cui's aanpak een nieuwe weg vooruit bieden voor veelbelovende materialen die tot stilstand zijn gekomen. Dit wijst op een manier om een ​​algemeen probleem met hoge - capaciteit anodes, zegt Paul Braun , een materiaalwetenschapper aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign die niet bij het werk betrokken is.

Siliciumanodes nemen grote hoeveelheden lithium op wanneer de batterij wordt opgeladen en geven al dat lithium vrij wanneer de batterij wordt gebruikt. Dergelijke anodes kunnen veel energie opslaan in een kleine ruimte, maar hun hoge capaciteit is een nadeel voor wat betreft de materialen waarvan ze zijn gemaakt: als grote hoeveelheden lithium de batterij binnenkomen en verlaten, zet het silicium uit en krimpt het, het kraken van de anodes de eerste keer dat ze worden gebruikt; hetzelfde gebeurt met anodes van tin en germanium.

Voor de zelfherstellende batterij werkte Cui samen met een andere Stanford-onderzoeker, Zhenan Bao , die eerder een zelfherstellende elektronische huid had ontwikkeld op basis van een rekbaar, plakkerig polymeer (zie Elektrische huid die het echte ding wedijvert).

Power Pack: Dit prototype lithium-ion batterijcel maakt gebruik van een zelfherstellende siliciumelektrode.

Wanneer het polymeer gebroken is, vloeit het weer samen. De groep mengde wat geleidende koolstofdeeltjes om ervoor te zorgen dat het polymeer, dat niet geleidend is, de stroom van elektriciteit door de batterij niet zou belemmeren. Dit kleverige mengsel werd vervolgens gecombineerd met siliciummicrodeeltjes om een ​​anode te maken. Wanneer de batterij wordt opgeladen en ontladen, zet het silicium nog steeds uit, trekt het samen en breekt het, maar het polymeer trekt alles weer samen. Normaal gesproken verlies je, zodra de anode scheurt, het elektrisch contact, zegt Cui. Het zelfherstellende polymeer bindt de kapotte delen weer aan elkaar.

Er zijn andere manieren om de neiging van silicium om te barsten aan te pakken. Cui's groep heeft geëxperimenteerd met nanogestructureerde vormen van silicium, waaronder nanodraden, die bestand zijn tegen de belasting van opladen en opladen. Nanogestructureerde siliciumanoden zoals deze worden ontwikkeld door Meer , een bedrijf uit Sunnyvale, Californië dat Cui mede heeft opgericht. Onderzoekers en bedrijven leren echter nog steeds over deze nanomaterialen. Het is gemakkelijk om een ​​klein flesje nanogestructureerd silicium te bemachtigen, maar het maken van 50 of 60 ton tegen een redelijke prijs is een groot probleem dat nog niet is opgelost, zegt Braun.

Cui zegt dat de combinatie van microdeeltjes met het genezende polymeer minder duur en praktischer kan zijn voor batterijen met een hoge capaciteit dan benaderingen die dure nanomaterialen vereisen. De siliciummicrodeeltjes die in de zelfherstellende batterijdemonstratie worden gebruikt, kunnen in grote hoeveelheden van de plank worden gekocht en zijn niet erg duur.

Nancy sotto's , een materiaalwetenschapper aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, heeft nog een andere benadering ontwikkeld: Sottos mengt capsules met genezende materialen met de batterijmaterialen. Eén zo'n materiaal is een bel die barst om geleidend metaal vrij te maken om elektrische verbindingen in een beschadigde batterij te herstellen. Haar groep heeft met deze methode vroege proof-of-concept-demonstraties gemaakt.

Yuegang Zhang , een batterijonderzoeker bij het Lawrence Berkeley National Laboratory, zegt dat het zelfherstellende bindmiddel van Stanford veelbelovend is voor andere soorten batterijmaterialen met hoge capaciteit, zoals tin. Zhang heeft in zijn eigen werk een andere benadering gekozen door tinnen nanostructuren te mengen met rekbaar, sterk, geleidend grafeen om de anoden bij elkaar te houden. Gezien het kleine aantal keren dat Cui's siliciumbatterijen kunnen worden opgeladen, zegt hij dat silicium nog steeds problemen heeft, maar ik vind dit idee leuk.

Nu ze de eerste demonstratie hebben gegeven, werken Cui en Bao aan oplossingen waarmee hun zelfherstellende siliciumbatterij meer oplaadcycli kan doorlopen. We zijn net begonnen, zegt Cui.

zich verstoppen