211service.com
Super-opladende lithiumbatterijen
Met bestaande lithiumbatterijen kunnen elektrische voertuigen op batterijen honderden kilometers afleggen tegen een lading, wat een wedloop op gang bracht tussen grote autofabrikanten om aan te tonen dat de batterijen veilig en duurzaam genoeg zijn voor massamarketing. Batterijontwikkelaars blijven ondertussen de lithiumprestaties pushen. Vorige maand onthulden materiaalwetenschappers van Stanford University een nanodraadelektrode die de energieopslagcapaciteit van lithiumbatterijen zou kunnen verdrievoudigen en hun veiligheid zou kunnen verbeteren.
Zwellende nanodraden: Bij het opladen met lithiumionen zwellen deze silicium nanodraden van 89 nanometer breed (bovenaan) tot 141 nanometer breed en langwerpig (onderaan); ze kunnen 10 keer meer lithiumionen bevatten dan conventionele grafietelektroden. Als gevolg hiervan kunnen de nanodraden de energiecapaciteit van lithiumbatterijen meer dan verdrievoudigen.
De ontwikkeling, gerapporteerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur Nanotechnologie , komt voort uit de laboratoria van nanodraad-innovator Yi Cui en batterij-expert Robert Huggins bij Stanford's Afdeling Materiaalkunde en Engineering . De onderzoekers laten zien dat nanodraden van silicium met een diameter van slechts een paar atomen kunnen functioneren als elektroden met hoge capaciteit, waarbij ze ongeveer 10 keer meer lithiumionen absorberen en vrijgeven dan de grafietelektroden die tegenwoordig algemeen worden gebruikt.
Het opladen van een lithiumbatterij betekent meestal het verplaatsen van lithiumionen van de positieve elektrode of kathode van de batterij naar de negatieve elektrode of anode. Silicium heeft de juiste elektrochemische affiniteit voor lithiumionen om het een veelbelovend materiaal voor anodes te maken. In feite was het tot nu toe een beetje te veelbelovend. Siliciumanoden nemen te veel lithium op. Na het opladen zwellen de siliciumanoden tot vier keer hun vorige volume, waardoor het materiaal breekt. Na slechts enkele laadcycli zijn de anodes klaar.
Nanodraden daarentegen nemen de zwelling op de voet. De silicium nanodraden van de Stanford-medewerkers zwellen wanneer ze worden opgeladen van 89 nanometer breed tot 141 nanometer breed en worden tegelijkertijd langer, waardoor de spanning wordt opgeheven. Ze vertonen geen tekenen van mechanisch defect na meer dan 20 cycli.
Ook lijken de silicium nanodraden volgens Cui niet zo gevoelig als grafiet voor typische faalmechanismen die veiligheidsproblemen veroorzaken (waaronder branden die aanleiding gaven tot nieuwe regels van het U.S. Department of Transportation deze week het beperken van lithiumbatterijen in ingecheckte bagage). In potentie zal silicium veel veiliger zijn dan koolstof, zegt Cui, die erop wijst dat verbeterde veiligheid de sleutel kan zijn tot de toekomstige acceptatie van lithium in voertuigen. Er zijn maar een paar ongelukken nodig om een technologie te vernietigen. Hij zegt dat er nog veel meer cycli worden getest om de verbeterde duurzaamheid en veiligheid van de silicium-nanodraadanode te bevestigen.
Het nadeel is dat het nanodraadgroeiproces dat Cui gebruikt, dat gasvormig silicium voedt met een vloeibare goudkatalysator om de vaste elektrode te maken, een proces is bij hoge temperaturen (600 tot 900 °C) dat kostbaar kan zijn om op te schalen. Cui denkt dat opschaling van het damp-vloeistof-vaste proces niettemin haalbaar is, maar hij erkent dat hij ook een andere aanpak verkent.
Scheikundige van de Ohio State University Yiying Wu , die ook aan nanodraadelektroden werkt, noemt het Stanford-werk absoluut heel belangrijk. Maar Wu en andere materiaalwetenschappers waarschuwen dat er nog meer vooruitgang nodig is voordat lithiumbatterijen met nanodraadelektroden de prestaties van elektrische voertuigen aanzienlijk verbeteren. Niet in de laatste plaats is de noodzaak om het proces van het maken van nanodraden, die nog in massaproductie voor commerciële toepassing moeten worden geproduceerd, op te schalen.
Een andere beperking is dat terwijl de siliciumnanodraden van Cui geweldige anoden maken, de lithiumbatterijtechnologie meer behoefte heeft aan verbeterde kathodes. In een bepaalde batterij heeft het vervangen van een anode die meer lithiumionen opslaat geen effect zonder een overeenkomstige kathode die meer lading kan leveren.
Zowel Cui als Wu (wie gemeld zijn eigen lithiumanodeontwikkeling vorige maand met een kobaltoxide-nanodraad met hoge capaciteit) zeggen dat hun laboratoria werken aan nieuwe materialen voor kathoden. Dat is de heilige graal voor dit bedrijf, zegt Wu. Iedereen die een veel hogere kathodecapaciteit kan genereren, zal een enorme doorbraak betekenen voor de lithiumbatterij.