211service.com
En boost för batteritid och kapacitet
Ett nytt kemiskt knep för att tillverka nanostrukturerade material kan bidra till att öka elbilarnas räckvidd och tillförlitlighet och leda till bättre batterier som kan hjälpa till att stabilisera elnätet.
Servering av energi: När litium-manganfosfat odlas med en ny process, bildar det mikroskopiska plattor (visas här). Dessa plattor leder både elektroner och litiumjoner, vilket gör det till ett användbart material för att lagra elektricitet.
Forskare vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) i Richland, WA, har utvecklat tekniken, som kan förvandla ett potentiellt elektrodmaterial som normalt inte kan lagra elektricitet till ett som lagrar mer energi än liknande batterimaterial som redan finns på marknaden.
I arbete publicerat i tidskriften Nanobokstäver PNNL-forskarna visar att paraffinvax och oljesyra uppmuntrar tillväxten av plattliknande nanostrukturer av litium-manganfosfat. Dessa nanoplattor är små och tunna, vilket gör att elektroner och joner (atomer eller molekyler med en positiv eller negativ laddning) lätt kan röra sig in och ut ur dem. Detta förvandlar materialet – som vanligtvis inte fungerar som ett batterimaterial på grund av dess mycket dåliga ledningsförmåga – till ett material som lagrar stora mängder elektricitet.
När forskarna mätte materialets prestanda upptäckte de att det kunde lagra 10 procent mer energi än den teoretiska maximala energikapaciteten för ett jämförbart kommersiellt elektrodmaterial – litium-järnfosfat, som används i elverktyg och vissa hybrid- och elfordon .
Tillvägagångssättet kan öppna dörren för att använda ett brett utbud av kandidatbatterimaterial som nu begränsas av deras förmåga att leda elektricitet och litiumjoner. Forskningen i området har nått den punkt där de flesta batterimaterial som återstår att studera har dålig ledningsförmåga, säger Daiwon Choi, en energimaterialforskare vid PNNL. Den nya metoden ger ett enkelt sätt att öka sin konduktivitet. Han säger att metoden också kan vara kompatibel med konventionella batteritillverkningstekniker.
Både litium-järnfosfat och litium-mangan fosfat är attraktiva vid batterielektroder eftersom de har en stabil atomstruktur. Denna kristallina struktur – kallad olivin – är mycket mer stabil än kristallstrukturen hos elektrodmaterial som används i batterier för bärbara datorer och mobiltelefoner. Som ett resultat kan olivinmaterial hålla mycket längre än de tre år som mobiltelefonbatterimaterial vanligtvis håller. Vissa tillverkare hävdar att litium-järnfosfatbatterier kan hålla i över 30 000 kompletta laddnings- och urladdningscykler utan att förlora mycket av sin kapacitet att lagra energi - tillräckligt för att batteriet ska hålla i 50 år, säger Choi.
I teorin kan litium-manganfosfat hålla i ett liknande antal cykler, eftersom det har en liknande kristallin struktur. Men det har den extra fördelen att det potentiellt kan lagra 20 procent mer energi än litium-järnfosfat, eftersom det arbetar med en högre spänning. Det har dock varit särskilt svårt att modifiera litium-manganfosfat för att övervinna det faktum att det är en elektrisk isolator.
Tidigare försök har krävt bearbetning av prekursormaterial i en flytande lösning innan man skapar fasta batterimaterial – en process som är för dyr för kommersiell produktion. Den nya metoden som utvecklats vid PNNL eliminerar detta separata vätskebearbetningssteg, förenklar processen och gör den kompatibel med befintliga tillverkningstekniker.
För att förbereda materialet blandar forskarna kemiska prekursorer med paraffinvax och oljesyra. Vaxet och syran samverkar för att få prekursormaterialen att bilda kristaller av en välkontrollerad storlek och form utan att klumpa ihop sig. Vaxet blir flytande vid de höga temperaturer som används för att bearbeta materialet och fungerar som ett lösningsmedel som ersätter det separata vätskebearbetningssteget som använts i tidigare forskning.
Än så länge kan materialet endast laddas vid låga hastigheter (även om det levererar kraft tillräckligt snabbt för många applikationer). Choi säger att ett av nästa steg är att utveckla en bättre process för att belägga nanoplattorna med kol, vilket borde förbättra ledningsförmågan.
Även om litium-manganfosfat är attraktivt eftersom det lagrar mer energi än litium-järnfosfat, tar båda upp en relativt stor volym jämfört med andra typer av elektroder för litiumjonbatterier. Jeff Dahn, professor i fysik och kemi vid Dalhousie University, säger att detta i slutändan kan göra dem mer attraktiva för stationära applikationer – som att lagra kraft på elnätet för att hjälpa till att jämna ut variationer från förnybara källor – än för elfordon.