211service.com
3M:s litiumjonbatterier med högre kapacitet
I slutet av nästa år, ingenjörer vid 3M , baserat i St. Paul, MN, förväntar sig att ha redo för batteritillverkare nya material och tillverkningsmetoder som kommer att lägga till 30 procent mer kapacitet till litiumjonbatterier. Dessa nya metoder kommer också att ta itu med säkerhetsproblem kring användningen av sådana batterier i bärbara datorer.
De senaste återkallelserna av Sonys litiumjonbatterier för bärbara datorer, på grund av rädsla för att batterierna skulle kunna fatta eld, inkluderade de som används i vissa Dell- och Apple-datorer och kan sträcka sig till så många som 9,6 miljoner bärbara batterier. Så det är ingen överraskning att, medan Sony säger att förändringar har gjorts på fabriker som borde ta hand om problemet, många tillverkare försöker hitta säkrare teknik. Men alternativ till konventionella litiumjonbatterier tenderar att erbjuda kompromisser, såsom ökade kostnader eller minskad energilagringskapacitet (se Säkrare batterier med högre kapacitet och Hur framtida batterier kommer att hålla längre och säkrare).
3M:s framsteg inkluderar nya elektrolyter och elektrodmaterial. Även om båda materialen kommer att kosta mer än konventionella litiumjonbatterier, bör den extra energikapaciteten hos elektrodmaterialen kompensera för kostnaden genom att sänka nyckelmåttet för batteripriset, kostnad per wattimme, säger 3M-forskningsspecialisten Mark Obrovac.
Företaget arbetar med batterisäkerhet genom att förbättra elektrolyterna, vätskan inuti litiumjonbatterier som leder litiumjoner men blockerar elektroner, vilket tvingar dem att resa genom en extern krets för att driva en enhet. Under vissa förhållanden, som när ett batteri är överladdat, överhettat eller har en intern kortslutning orsakad av skador eller tillverkningsproblem, kan elektrolyten reagera kemiskt med material i batterielektroderna. I vissa fall kan batteriet explodera och spruta elektrolyt i den omgivande luften där det kan antändas som en eldkastare, säger Obrovac.
Företaget har utvecklat tillsatser för befintliga elektrolyter, samt nya elektrolyter som inte kommer att reagera med elektroderna. Faktum är att de säkrare elektrolyterna inte tar eld när de utsätts för öppen låga. Som en extra bonus, säger 3M:s tekniska chef för batteriforskning, Doug Magnuson, fungerar de nya kemin bättre vid extremt kalla temperaturer, som minus 40 grader Celsius, där andra elektrolyter blockerar jonflödet och effektivt minskar batterikapaciteten med 80 till 90 procent . Denna kapacitetsförlust är nu ett avgörande hinder för att använda litiumjonbatterier i hybridfordon, som kan utsättas för dessa förhållanden. De nya elektrolyterna skulle tillåta joner att flöda mer fritt vid dessa temperaturer, vilket potentiellt skulle begränsa förlusterna till cirka 40 procent av kapaciteten, uppskattar Obrovac.
3M-ingenjörer säger också att nya elektrodmaterial kommer att förbättra batterikapaciteten med 30 procent. Till exempel byter företaget ut de nuvarande anodmaterialen, baserade på grafit, med en kiselbaserad anod som ska fördubbla mängden litiumjoner som anoden kan lagra. Kapaciteten hos litiumjonbatterier begränsas av mängden litium som kan lagras i elektroderna. Grafitanoder kan kräva sex kolatomer för att lagra bara en litiumjon. Elektroder som innehåller metaller och metalloider som tenn eller kisel kan hålla många fler litiumjoner – till exempel nästan fyra joner för varje kiselatom – genom att bilda legeringar.
Men sådana elektroder har varit opraktiska eftersom materialet kan svälla till tre gånger sin ursprungliga storlek eftersom det innehåller litiumjoner. Sådana dramatiska förändringar i storlek orsakar kaos på en cell och förkortar dess livslängd.
3M:s tillvägagångssätt minskar mängden anoden expanderar genom att använda amorft kisel, snarare än kristallint kisel, och para detta med inerta material, vilket hjälper till att stabilisera systemet. 3M-ingenjörer har också utvecklat bättre metoder för att deponera materialen på filmerna som senare rullas ihop till ett cylindriskt batteri. De optimerar nu dessa metoder för storskalig tillverkning.
De nya materialen minskar men eliminerar inte expansion och kontraktion när jonerna rör sig in och ut ur anoden. Som ett resultat utvecklar forskarna nya batteridesigner som kan absorbera förändringarna i storlek. Obrovac säger att dessa konstruktioner, tillsammans med de nya elektrod- och elektrolytmaterialen, borde vara redo för batteritillverkare att börja införliva i sina produkter någon gång nästa år.
Ted Miller, handledare för avancerad batteriteknik på Ford Motor , i Dearborn, MI, säger att en övergång från grafit till dessa typer av anoder är, förutom att erbjuda kapacitetsvinster, avgörande för att klara av extremt kalla förhållanden som de kan utsättas för i fordonstillämpningar. Under dessa förhållanden kan laddning av ett batteri orsaka att litiummetall byggs upp, vilket ibland skadar batteriet i många månader inom loppet av några minuter. Att flytta bort från grafit kommer att förhindra reaktioner som leder till litiummetalluppbyggnad, säger Miller.
Än så länge används endast en legeringsbaserad anod kommersiellt: ett batteri från Sony som heter Nexelium, som använder en tennbaserad anod. Men denna teknik kommer att börja dyka upp oftare, enligt materialforskare vid MIT Ändå-Ming Chiang . Det är en väldigt logisk riktning för batteriföretag att gå in i, säger han.