211service.com
Nanowire Advance voor lithiumbatterijen
Lithium-ion is de favoriete batterij voor elektrische voertuigen geworden, wat onderzoekers ertoe aanzet de prestaties, levensduur en betrouwbaarheid van de technologie te verbeteren. Een nieuw type nanodraadelektrode ontwikkeld door professor materiaalwetenschappen en techniek Yi Cui op Stanford is een stap in de richting van dat doel.
Nanodraad-boost: Koolstofnanodraden gecoat met silicium (bodem) produceren een materiaal dat zes keer zoveel lading kan opslaan als het grafiet dat wordt gebruikt in de huidige lithiumbatterij-elektroden. (Blote koolstof nanodraden bovenaan weergegeven.)
De nieuwe elektroden, besproken in de vorige week Nano-letters , kan zes keer zoveel lading opslaan als de grafietelektroden in de huidige lithiumbatterijen - dat betekent elektrische auto's die meer kilometers per laadsessie opleveren.
Wanneer een lithiumbatterij wordt opgeladen, verplaatsen lithiumionen zich van de positieve elektrode (kathode) naar de negatieve anode. Silicium is een veelbelovend materiaal voor anodes omdat het bij hetzelfde gewicht meer dan 10 keer zoveel ionen als grafiet kan opslaan. Maar wanneer silicium lading absorbeert, zwelt het op tot vier keer het oorspronkelijke volume en barst het na een paar oplaadcycli.
De nieuwe nanodraden benutten de eigenschappen van silicium en grafiet. Cui en zijn collega's maken het materiaal door amorf silicium af te zetten op koolstofnanodraden. De draden kunnen een lading van ongeveer 2.000 milliampère-uur per gram opslaan, terwijl grafietanodes minder dan 360 milliampère-uur per gram kunnen opslaan. Ondertussen maakt de koolstofkern ze robuust. Lithiumionen kunnen ook in koolstof worden opgenomen, zegt Cui, maar de volume-expansie van koolstof is 10 procent of kleiner, dus het zorgt voor een stabiele ruggengraat. In tests presteerden de nanodraden goed voor meer dan 50 oplaadcycli.
De onderzoekers hadden eerder elektroden gemaakt van nanodraad van zuiver kristallijn silicium. Die hadden driemaal de opslagcapaciteit van grafietelektroden, maar gingen slechts 20 cycli mee.
De koolstof-silicium nanodraden zijn ook makkelijker te maken. Ze hebben niet de hoge temperaturen nodig die nodig zijn om de nanodraden met alleen silicium te laten groeien. Koolstof nanovezel is al in de handel verkrijgbaar en je kunt er tonnen produceren, zegt Cui. Het coatingproces zou veel sneller kunnen en is gemakkelijk voor grootschalige productie.
Voor gebruik in commerciële elektrische voertuigen moeten lithiumbatterij-elektroden minstens 300 oplaadcycli meegaan. In dit opzicht kunnen de nanodraden te maken krijgen met stevige concurrentie. In december 2008 onthulde een team van de Hanyang University in Ansan, Zuid-Korea, nanoporeuze siliciumanoden die meer dan 100 oplaadcycli meegingen en meer lading konden opslaan dan de nanodraden. scheikundige Jaephil Cho , die het werk leidde, zegt dat het nanoporeuze materiaal meer silicium-per-eenheidsvolume heeft dan nanodraden, zodat het meer lading per volume-eenheid kan bevatten. Hij zegt echter dat koolstofvezel [productie] eenvoudig op te schalen is en daarom wordt [Cui's] methode voor het maken van koolstof-silicium nanodraden als zeer praktisch beschouwd.
General Motors en Applied Sciences ontwikkelen ondertussen nanodraadanodes die sterk lijken op die van het Stanford-team. De bedrijven coaten koolstofnanovezels met siliciumdeeltjes, in tegenstelling tot amorf silicium, wat resulteert in anoden die een lading van 1.000 tot 1.500 milliampère uur per gram kunnen opslaan. Gholam-Abbas Nazri, die het werk leidt bij het GM Research and Development Center in Warren, MI, zegt dat de anodecapaciteit kan worden vergroot door de siliciumlaag dikker te maken, maar op dit moment is het het beste om de capaciteit te stabiliseren op 1000 milliampère uur per gram. Anodes die meer lading kunnen opslaan, hebben kathodes nodig die een hogere lading kunnen leveren, zegt Nazri, en op dit moment is er geen kathode [materiaal] met voldoende capaciteit om de koolstof-siliciumanode te evenaren.
Cui heeft vertrouwen in het succes van silicium als anodemateriaal voor lithiumbatterijen. Over vijf jaar of minder zien we een batterij met siliciumanoden, zegt hij. De kosten zullen echter de beslissende factor zijn. Uiteindelijk, zegt hij, hangt het allemaal af van wie een goedkoop, grootschalig productieproces kan bedenken, de beste prestaties kan leveren en producten kan uitbrengen.