Bättre litiumjonbatterier

En ny inkarnation av litiumjonbatterier baserade på solida polymerer är på gång. Berkeley, CA-baserad startup Seeo, Inc . säger att dess litiumjonceller kommer att vara säkrare, hållbarare, lättare och billigare än nuvarande batterier. Seeos batterier använder tunna filmer av polymer som elektrolyt och lätta elektroder med hög energidensitet. Lawrence Berkeley National Laboratory tillverkar och testar nu celler designade av University of California, Berkeley spinoff.

Tuff och kompakt: Litiumjonceller som använder polymerelektrolyter kan prisvärt förpackas i kompakta, flexibla påsar (visas ovan), istället för lasersvetsade metallbehållare som används i nuvarande celler.

Litiumjonbatterier används i mobiltelefoner och bärbara datorer eftersom de är mindre och lättare än andra typer av batterier. De är också lovande för el- och hybridfordon. Men konventionella material och kemi har hindrat dem från att användas i stor utsträckning i bilar.

Dagens litiumjonbatterier använder litiumkoboltoxidelektroder och en flytande elektrolyt, vanligtvis litiumsalter lösta i ett organiskt lösningsmedel. Elektrodmaterialet kan frigöra syre när det överladdas eller punkteras, vilket gör att det brandfarliga lösningsmedlet tar eld och batteriet exploderar. Dessutom är de laddade elektroderna mycket reaktiva med den flytande elektrolyten, vilket minskar kraften och [cykellivslängden], säger Khalil Amine , chef för den avancerade batteriteknologigruppen vid Argonne National Laboratory.

Seeos nyckelgenombrott är en solid polymerelektrolyt. Det är inte brandfarligt och därmed säkrare. Dessutom kommer batteriet att behålla mer av sin kapacitet med tiden eftersom polymeren inte reagerar med den laddade elektroden. Livstidsdata tyder på att konventionella litiumjonsystem förlorar cirka 40 procent kapacitet på 500 cykler, säger Mohit Singh, medgrundare av Seeo. Vi får ett mycket bättre cykelliv. Vi kan gå igenom 1 000 cykler med mindre än 5 procents kapacitetsförlust.

För den negativa elektroden, eller anoden, fungerar elektrolyten även med litiummetallfilmer, som är lättare än nuvarande anodmaterial. Det betyder att batteriet kan ge mer energi för samma vikt. Baserat på batteriets encell har Seeo beräknat att det skulle ha en energitäthet på upp till 300 wattimmar per kilogram, vilket är 50 procent större än litiumjonbatterier som finns på marknaden idag.

Batterier med fasta elektrolyter har den extra bonusen att de är billigare att tillverka, säger Amine. Medan flytande elektrolyter måste förslutas tätt inuti en lasersvetsad metallbehållare, kan plastelektrolyter förpackas inuti värmeförseglade påsar.

Fördelarna med polymermaterial har motiverat forskning om polymerelektrolyter i mer än tre decennier. Faktum är att litiumpolymerbatterier redan finns i radiostyrda bilar och MP3-spelare. Men de använder en polymergel som innehåller lösningsmedel, så, precis som flytande elektrolyter, medför de risker för brand eller explosion och har inte en särskilt lång livslängd.

Att tillverka fasta polymerer som är lika ledande som flytande elektrolyter har varit svårt. I ett laddningsbatteri leder elektrolyten litiumjoner från den positiva elektroden, eller katoden, till anoden. Ju högre ledningsförmåga elektrolyten har, desto snabbare laddas batteriet. St. Paul, MN-baserad 3M och Montreal, Kanada-baserad elleverantör Hydro-Quebec har spenderat mer än 10 år på solid-polymer litiumbatterier. Men du måste använda polymeren vid 60 grader Celsius för att förbättra konduktiviteten, säger Amine. Detta är inte särskilt praktiskt.

Problemet är att en polymers ledningsförmåga och mekaniska styrka inte går hand i hand. Om människor försökte göra polymerer med hög jonledningsförmåga skulle de sluta med en goop, säger Singh.

Seeo har kommit runt problemet genom att göra filmer med blocksampolymerer: material som innehåller två sammanlänkade polymerkedjor som självmonteras till nanostrukturer. En av polymererna bildar en rad ledande cylindrar som är inbäddade i den andra polymeren, som fungerar som en hård matris. Singh säger att elektrolytfilmen är robust och är nästan lika ledande som flytande elektrolyter.

Seeos teknologi har blivit mycket attraktiv på grund av dess påstående om en polymer med hög ledningsförmåga, säger Amine. Litiumanoden kan dock vara en uppvisningsstopp. Litium har en tendens att bli ruggig vid ytan och växa kristalldendriter som kan nå katoden och kortsluta batteriet. Företaget kommer att behöva göra långtidstester för att visa att dess polymer är tillräckligt hård för att blockera dendriterna.

Polymerelektrolyter har också en stor inneboende nackdel. Polymerer kommer alltid att begränsas av lägre jonledningsförmåga jämfört med vätskor, säger Singh. Detta innebär att Seeos batteri skulle vara begränsat för användning i bärbara datorer och elfordon. Men dessa polymerer skulle inte kunna hantera snabbladdningstillämpningar som hybridelektriska fordon eller elverktyg.

Dölj