211service.com
Lithium-ionbatterijen met hogere capaciteit
Onderzoekers in Frankrijk hebben lithium-ionbatterij-elektroden gemaakt met een aantal keer de energiecapaciteit, in gewicht en volume, van conventionele elektroden. De nieuwe elektroden kunnen helpen om de batterij van mobiele telefoons en laptops kleiner te maken, of anders kan een apparaat langer op een lading blijven werken. Bovendien kunnen de nanotech-methoden die worden gebruikt om deze elektroden te maken een eenvoudige en goedkope manier bieden om nieuwe materialen te structureren voor batterijen van de volgende generatie voor plug-in hybride en volledig elektrische voertuigen.
Een bos van koperen staven met een diameter van ongeveer 100 nanometer creëert veel meer oppervlakte voor batterij-elektroden met hoge capaciteit.
De belangrijkste vooruitgang is de ontwikkeling van een goedkope en eenvoudige manier om kleine deeltjes in een gewenste nanostructuur te organiseren, zegt Patrice Simon, hoogleraar scheikunde aan de Université Paul Sabatier, die samen met andere onderzoekers van de universiteit en Université Picardie Jules aan het werk heeft deelgenomen. Verne.
In een conventionele batterij-elektrode zullen ionen en elektronen snel in en uit het actieve materiaal bewegen - waardoor snel opladen en ontladen mogelijk is - alleen als het materiaal in een zeer dunne film wordt afgezet. Dunne films beperken echter de hoeveelheid actief materiaal die in een batterij kan worden opgenomen. Voor batterijen met een hoge capaciteit vergroten ingenieurs doorgaans de dikte van het actieve materiaal, waarbij ze snel opladen en krachtige bursts inruilen voor meer energieopslag.
Deze nieuwe nanostructuur zorgt voor zowel een hoog vermogen als een hoge opslagcapaciteit. Actieve materialen worden in een zeer dunne film aangebracht op koperen nanostaafjes die verankerd zijn aan vellen koperfolie. Deze dunne film zorgt voor een snelle beweging van ionen en elektronen - wat de kracht levert. Tegelijkertijd maakt het grote oppervlak van het bos van nanostaafjes het mogelijk om veel meer actief materiaal in een elektrode te pakken dan dunne films doorgaans toestaan, waardoor de energiecapaciteit toeneemt. De staven bieden 50 vierkante centimeter oppervlakte voor elke vierkante centimeter elektrode.
Bovendien maakt de hoge ionen- en elektronenmobiliteit van de dunne laag het mogelijk om een nieuw actief materiaal en een nieuwe chemische reactie voor lithium-ionbatterijen te gebruiken. Deze nieuwe chemie is aantrekkelijk omdat ze veel meer lithiumionen en hun elektronentegenhangers kan herbergen dan de chemie die nu wordt gebruikt, waardoor mogelijk meer energie wordt opgeslagen.
De nieuwe elektroden, die zouden worden gebruikt als de negatieve elektroden in lithium-ionbatterijen, toonden ook het vermogen om hun hoge capaciteit te behouden nadat ze vele malen zijn opgeladen en ontladen, wat suggereert dat de elektroden een lange bruikbare levensduur kunnen hebben, zegt Simon, hoewel uitgebreidere tests zijn nodig om deze veronderstelling te bevestigen.
Omdat dit voorschot, deze week online beschreven in Natuurmaterialen , tot dusver van toepassing is op negatieve elektroden, zal de procentuele toename van de capaciteit ten opzichte van de huidige batterijen ook afhangen van de capaciteit van de positieve elektrode. (Zie Battery Breakthrough voor een beschrijving van een mogelijke positieve elektrode-kandidaat die door de onderzoekers wordt genoemd.) De eerste toepassingen van de technologie zullen waarschijnlijk extreem kleine batterijen zijn, zegt Simon. Deze kunnen handig zijn voor sensoren op afstand of medische implantaten. Verdere toepassingen vereisen het vergroten van de grootte van de elektroden die de onderzoekers kunnen maken, en ook het optimaliseren van het actieve materiaal dat ze gebruiken.
De materialen die in gerapporteerde experimenten zijn gebruikt, zijn niet energiezuinig - ongeveer 20-25 procent van de energie die wordt gebruikt om ze op te laden, kan niet worden teruggewonnen tijdens het ontladen. Dit energieverlies is geen groot probleem bij batterijen van mobiele telefoons, zegt Gerbrand Ceder, professor materiaalwetenschappen en techniek aan het MIT. Tijdens je leven ben je waarschijnlijk een paar centen kwijt aan het opladen van de mobiele telefoon, zegt hij. Maar voor grotere energietoepassingen, zoals elektrische voertuigen, kan dit gebrek aan efficiëntie kostbaar zijn, vooral met hoge elektriciteitsprijzen. Om deze reden nemen de onderzoekers verschillende actieve materialen met hoge capaciteit op in hun nanogestructureerde elektroden die dit energie-efficiëntieprobleem niet hebben.
De Franse onderzoekers zijn niet uniek in hun wending tot nanotechnologie om batterijen te verbeteren. Ten minste twee bedrijven, A123 Systems, in Watertown, MA, en Altair Nano, in Reno, NV, hebben batterijen gemaakt die elektroden bevatten met nanogestructureerde actieve materialen; en tal van onderzoeksgroepen over de hele wereld ontwikkelen dergelijke elektroden. Simon beschrijft het proces van zijn groep als eenvoudiger en goedkoper dan veel andere methoden om nanostructuren te maken. Het is ook veelzijdig en kan worden gebruikt met een verscheidenheid aan actieve materialen, zegt hij.
Het kan ook belangrijk zijn voor een andere belangrijke trend in batterijonderzoek: de verschuiving van platte lagen elektrodemateriaal naar positieve en negatieve elektroden die elkaar doordringen - een driedimensionale architectuur die de mobiliteit van ionen en elektroden kan verbeteren, waardoor het batterijvermogen toeneemt. De Franse groep werkt nu ook aan een driedimensionale batterij, zegt Simon, die hun negatieve elektroden zal combineren met een krachtige positieve elektrode.