211service.com
Batterier som håller längre för bärbara datorer
Konventionella litiumjonbatterier i bärbara datorer och mobiltelefoner förlorar snabbt sin förmåga att lagra energi och kan fatta eld om de överladdas eller skadas. Nu forskare vid Argonne National Laboratory i Argonne, IL, har utvecklat kompositbatterimaterial som kan göra sådana batterier både säkrare och längre livslängd, samtidigt som de ökar deras kapacitet att lagra energi med 30 procent.
Kraftfulla partiklar: Nya elektrodmaterial för litiumjonbatterier, som visas här under ett elektronmikroskop, kan lagra mer energi, och det gör det säkrare, än konventionella litiumjonbatterier i bärbara datorer och mobiltelefoner.
Förra månaden tog forskarna ett betydande steg mot att kommersialisera tekniken genom att licensiera den till ett stort materialleverantörsföretag, Toda Kogyo, baserat i Japan. Företaget har kapacitet att tillverka materialen för cirka 30 miljoner bärbara batterier per år, säger Gary Henriksen, som leder forskning om elektrokemisk lagring vid Argonne.
De nya materialen är ett exempel på en ny generation av litiumjonelektrodkemi som åtgärdar bristerna hos konventionella litiumjonbatterier. Var och en har sina egna avvägningar. Till exempel har ett annat material som kallas litiumjärnfosfat bättre säkerhet och hållbarhet än Argonnes material, men det lagrar något mindre energi än konventionella litiumjonbatterier. Argonnes material förbättrar säkerheten och tillförlitligheten hos dagens bärbara batterier, samtidigt som de lagrar mer energi.
Argonne-forskarna har förbättrat de positiva elektrodernas prestanda genom att öka den kemiska och strukturella stabiliteten hos de material som redan används i bärbara batterier. I konventionella litiumjonbatterier, som har koboltoxidelektroder, kan en liten mängd överhettning, orsakad av överladdning av materialet eller av elektriska kortslutningar inuti ett batteri, leda till snabbt ökande temperaturer inne i cellen och i vissa fall förbränning. Det beror på att, när materialet överhettas, avger koboltoxiden lätt syre, som reagerar med lösningsmedlet i batteriets elektrolyt och genererar mer värme och matar reaktionerna. Argonne-forskarna tog upp detta problem genom att ersätta en del av koboltoxiden med manganoxid, som är kemiskt mer stabil.
Forskarnas nästa steg var att ersätta några av de aktiva metalloxidmaterialen i elektroden med ett relaterat men elektrokemiskt inaktivt material, vilket bildar en komposit. Detta material lagrar inte energi, eftersom det inte släpper och tar upp litiumjoner när batteriet laddas och laddas ur. (Litiumjonbatterier skapar elektrisk ström när litiumjoner växlar mellan positiva och negativa elektroder.) Det inaktiva materialet gör kompositen mer stabil än konventionella elektrodmaterial, vilket innebär att den kan hålla längre. En version av materialet kan hålla i 1 500 laddningar och urladdningar utan att förlora mycket kapacitet, säger han. Det är mer än dubbelt så lång livslängd för konventionella bärbara batterier.
Dessutom har en minskning av mängden aktivt, energilagrande material den kontraintuitiva effekten att den ökar kompositens lagringskapacitet. Om för mycket litium avlägsnas från konventionella koboltoxidmaterial, bryts materialet ned och förlorar snabbt sin förmåga att ladda och ladda ur helt. Det inaktiva materialet gör det möjligt att använda mycket mer av litiumet utan att skada materialet.
Elektrodmaterialet kan lagra 45 procent till 50 procent mer energi än de bästa elektroderna i bärbara batterier. När det gäller en hel battericell – givet att den positiva elektroden representerar mindre än hälften av den totala vikten och volymen av en battericell – kan batteriets totala energilagring förbättras med 20 procent till 30 procent, säger Henriksen.
Forskarnas nästa steg är att förbättra hastigheten med vilken kompositmaterialet kan laddas och urladdas så att det kan användas i hybridfordon. Som det är gjort nu kan Argonne-materialet laddas ur helt på cirka tre timmar – tillräckligt snabbt för bärbara datorer men alldeles för långsamt för en bil. Urladdningshastigheterna måste vara minst tre gånger snabbare, och troligen mer, för att tekniken ska fungera i plug-in hybrider, fordon där batteriet kan laddas från ett vanligt eluttag.
Yet-Ming Chiang, professor i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap vid MIT, säger att det nya materialet är en betydande förbättring jämfört med litiumkoboltoxid för bärbara batterier. Om du tänker på det i termer av ett fält som växer 8 till 9 procent per år, sparade du bara tre år. Du kanske har hoppat över konkurrensen, säger han. Jag är säker på att alla som tillverkar batterier till mobiltelefoner och bärbara datorer skulle vara mycket glada över att ha den typen av fördel.