211service.com
Twee vorderingen wijzen op een goedkopere batterij voor elektrische auto's
Om de wegen vol te laten lopen met elektrische auto's, moeten batterijen veel goedkoper worden - volgens sommige schattingen tot 80 procent goedkoper (zie Hoe verbeterde batterijen elektrische voertuigen concurrerend maken). Twee recente ontwikkelingen die een experimenteel type batterij veel praktischer maken, zouden tot dergelijke kostenbesparingen kunnen leiden.
Betere batterij: Dit scanning-elektronenmicroscopiebeeld toont lithiumsulfidedeeltjes die door onderzoekers van Stanford University zijn gebruikt om een verbeterde lithiumsulfidebatterij te maken.
Onderzoekers werken al jaren aan een type batterij dat lithiummetaal gebruikt in de ene elektrode en zwavel in de andere. In theorie zou dit type batterij drie tot vijf keer zoveel energie kunnen opslaan als een conventionele lithium-ionbatterij (zie Lithium-zwavelbatterijen opnieuw bekijken). Maar lithiummetaal is zeer reactief bij blootstelling aan water en kan na verloop van tijd wortelachtige structuren in batterijen vormen; deze structuren kunnen positieve en negatieve elektroden verbinden, waardoor kortsluitingen en zelfs brand ontstaan. Zoveel onderzoekers zijn begonnen hun aandacht te richten op een vergelijkbare batterij waarvoor geen lithiummetaal nodig is.
In het nieuwe type batterij is de zwavelelektrode vervangen door een lithiumsulfidemateriaal - een verbinding die zowel lithium als zwavel bevat. Dit wordt de bron van het lithium, dus het lithiummetaal is niet langer nodig en kan worden vervangen door grafiet - een materiaal dat tegenwoordig in lithium-ionbatterijen wordt gebruikt - of door een materiaal zoals silicium.
Het probleem is dat lithiumsulfide elektrisch isoleert, wat het opladen vertraagt en de hoeveelheid energie die de batterij kan leveren vermindert. Maar twee recente artikelen, een van Stanford en de andere van het Lawrence Berkeley National Laboratory, bieden manieren om lithiumsulfidebatterijen praktischer te maken.
Deze onderzoekspapers demonstreren goedkope methoden voor het maken van lithiumsulfidebatterijen met een hoge energieopslagcapaciteit. Het werk zou kunnen leiden tot commerciële batterijen die meer dan drie keer zoveel energie opslaan als de lithium-ionbatterijen die momenteel in elektrische voertuigen worden gebruikt, zegt Yuegang Zhang , een stafwetenschapper bij het Lawrence Berkeley National Laboratory.
Eerder dit jaar toonde Yi Cui, een professor materiaalwetenschappen aan Stanford, een manier om de inherente beperkingen van lithiumsulfidebatterijen te overwinnen door de batterij voor de eerste keer op te laden met een hogere spanning dan normaal. Dit verandert de chemie van de elektrode, waardoor het geleidbaarheidsprobleem wordt omzeild.
Zelfs toen moest het lithiumsulfide worden gemengd met koolstof om de geleidbaarheid te verbeteren, en de koolstof vermindert de hoeveelheid energie die de elektrode kan opslaan: in experimenten was het voldoende om de capaciteit van de batterij te verminderen tot niveaus die dicht bij conventionele lithium-ionbatterijen liggen .
Zhang demonstreerde een nieuwe manier om de koolstof te mengen met het lithiumsulfide dat de hoeveelheid koolstof die nodig is in de kathode aanzienlijk vermindert. Het percentage van de elektrode dat bestaat uit lithiumsulfide neemt toe van minder dan 50 procent tot 67,5 procent. Deze verbetering, deels omdat deze wordt versterkt door verbeteringen in andere delen van de batterij, zou de totale opslagcapaciteit van de batterij bijna kunnen verdubbelen, van 350 tot 610 wattuur per kilogram, schat Zhang. (Lithium-ionbatterijen in elektrische voertuigen slaan nu doorgaans minder dan 200 wattuur per kilogram op.)
Er blijven obstakels voor de commercialisering van de technologie, waaronder de noodzaak om het aantal keren dat de batterijen kunnen worden opgeladen en de snelheid waarmee ze kunnen worden opgeladen, te verbeteren. De cijfers voor energieopslag moeten ook met een korreltje zout worden genomen - het zijn schattingen die zijn afgeleid van experimenten op laboratoriumschaal, geen metingen van grote, commerciële batterijen.
En lithium-zwavelbatterijen die lithiummetaal gebruiken, kunnen nog steeds de voorkeurstechnologie blijken te zijn. Onderzoekers en bedrijven zoals Sion Power en Polyplus boeken vooruitgang bij het verbeteren van het aantal keren dat ze kunnen worden opgeladen, en gebruiken keramiek of andere materialen om veiligheidsproblemen aan te pakken (zie Beyond Lithium Ion: ARPA-E plaatst weddenschappen op nieuwe energieopslag ) .