211service.com
Ett enkelt sätt att öka batterilagringen
Litiumjonbatterielektroder som är sammanbundna av ett nytt högledande material har en mycket större lagringskapacitet – en utveckling som så småningom skulle kunna öka elbilarnas räckvidd och livslängden på smarttelefonbatterier utan att öka kostnaderna för dem. Till skillnad från många högkapacitetselektroder som utvecklats under de senaste åren, kan dessa tillverkas med den utrustning som redan finns i dagens batterifabriker.
Batteribindare: Denna mikroskopibild visar en silikonelektrod före laddning (vänster) och efter 32 cykler. Ett nytt bindemedel håller partiklarna nära varandra.
Nyckeln är ett stretchigt, mycket ledande polymerbindemedel som kan användas för att hålla ihop kisel, tenn och andra material som kan lagra mycket energi men som vanligtvis är instabila. Forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory konstruerade omsorgsfullt detta nya polymerbindemedel och använde det för att göra en kiselanod för ett uppladdningsbart litiumjonbatteri med en lagringskapacitet som är 30 procent större än de som finns på marknaden idag. Det är också mer stabilt över tid än tidigare utvecklade elektroder.
När ett litiumjonbatteri laddas tas litiumjoner upp av en av elektroderna, som kallas anoden. Ju mer litium anoden kan hålla, desto mer energi kan batteriet lagra. Kisel är ett av de mest lovande anodmaterialen: det kan lagra 10 gånger mer litium än grafit, som används för att tillverka anoderna i de litiumjonbatterier som finns på marknaden idag. Grafit suger upp litium som en svamp och håller sin form, men kisel är mer som en ballong, säger Gao Liu , en forskare vid Berkeley Labs Environmental Energy Technologies Division.
Men eftersom kiselanoderna sväller och krymper, ändras i volym med tre eller fyra gånger när de laddas och laddas ur, bleknar batteriets kapacitet med tiden. Efter några omgångar av laddning och urladdning är kiselpartiklarna ganska snart inte i kontakt med varandra, vilket betyder att anoden inte kan leda elektricitet, säger Liu.
Ett tillvägagångssätt på problemet är att strukturera dessa anoder på ett helt annat sätt, till exempel växande lurviga arrayer av kiselnanotrådar som kan böjas, svälla och röra sig när litium kommer in och ut. Detta tillvägagångssätt kommersialiseras av Amprius, en startup i Palo Alto, Kalifornien. Men att växa nanotrådar kräver nya processer som normalt inte används vid batteritillverkning.
Dagens anoder tillverkas genom att måla en lösningsmedelsbaserad slurry av grafitpartiklar som hålls samman med ett bindemedel, en enkel process som håller kostnaderna nere. Berkeley-forskarna tror att nyckeln till att göra nya batterimaterial som kiselarbete är att hålla fast vid denna tillverkningsprocess. Det innebar att man skulle komma på ett gummiartat bindemedel som skulle hålla sig till kiselpartiklar, förbli starkt ledande i anodens hårda miljö och sträcka sig och dra ihop sig när anoden sväller och töms.
Det mesta arbetet med avancerade batterier har fokuserat på de aktiva materialen, men vi har pressat dessa material till det yttersta, säger Yury Gogotsi , professor i materialvetenskap och teknik vid Drexel University. Det som nu begränsar oss är pärmarna.
När Liu läste igenom tidningar om kiselbatteribindemedel, märkte Liu att forskare gjorde ödesdigra misstag - att välja polymerer som förlorar sin ledningsförmåga under de typer av förhållanden som finns i en anod, till exempel. Han arbetade med teoretiska kemister för att komma fram till en lista över polymerer med rätt elektriska egenskaper för jobbet. När de väl hittat en, ändrade de den för att göra den mycket klibbigare. När de väl utvecklat och karakteriserat detta nya material kunde de tillverka kiselanoder med konventionella processer och testa dem i batterier.
Berkeley-gruppens anoder har testats i över 650 laddningscykler. De upprätthåller en lagringskapacitet på 1 400 milliampere timmar per gram - mycket större än de 300 eller så som lagras av konventionella anoder. Fulla batterier som innehåller anoderna lagrar cirka 30 procent mer total energi än ett kommersiellt litiumjonbatteri. Vanligtvis ökar batterikapaciteten med cirka 5 procent per år, konstaterar Liu. Han säger att de har testat bindemedlet i andra batterianoder, inklusive de gjorda av tenn, som har liknande potential och problem, och att det borde fungera för alla sådana material.
Lagringskapaciteten för dessa batterier är nästan lika bra som de som är gjorda av rena kisel nanotrådar utan bindemedel, säger Yi Cui , professor i materialvetenskap och teknik vid Stanford och en av grundarna av Amprius. Det är imponerande, säger han, med tanke på att bindemedlet inte lagrar något litium.
Lius grupp samarbetar nu med forskare vid 3M om anodforskning. 3M skalar upp produktionen av silikonbaserade batterimaterial utformade för att inte expandera så mycket under laddning, säger Kevin Eberman, som utvecklar batterimaterialprodukter på 3M elektronik i St. Paul, Minnesota. Men för att få dem att fungera är ett bra pärm nyckeln. Företaget förser Berkeley-gruppen med material att testa. Liu säger att Berkeley-gruppen har patenterat pärmarna och för samtal med några företag om sätt att kommersialisera dem.