211service.com
Längre driftiga elbilsbatterier
I ett framsteg som kan hjälpa elfordon att köra längre mellan laddningarna, har forskare visat att nanorörselektroder av kisel kan lagra 10 gånger mer laddning än de konventionella grafitelektroderna som används i litiumjonbatterier.
Silikonlagring: Denna bild av en bunt av kisel nanorör gjordes med hjälp av ett svepelektronmikroskop.
Forskare vid Stanford University och Hanyang University i Ansan, Korea, utvecklar nanorörselektroderna i samarbete med Lg chem , ett koreanskt företag som tillverkar litiumjonbatterier, inklusive de som används i Chevy Volt . När ett sådant batteri laddas, rör sig litiumjoner från katoden till anoden. De nya batterielektroderna, beskrivs online i journalen Nanobokstäver , är anoder och kan lagra mycket mer energi än konventionella grafitelektroder eftersom de absorberar mycket mer litium när batteriet laddas.
I en hybridbil räcker batteriet bara 30 minuter med den nuvarande tekniken, säger Jaephil Cho , professor i energiteknik vid Ulsan National Institute of Science and Technology i Korea, som ledde forskningen om nanorörsanoder. Om den nya kiselanoden kan matchas till en katod med jämförbar lagringskapacitet bör det resulterande batteriet kunna köra en bil i tre till fyra timmar utan att laddas om, säger Cho.
Kiselanoder har en högre energilagringskapacitet än konventionell grafit eftersom materialet kan ta upp 10 gånger mer litium i vikt än grafitkol. Faktum är att kisel tar upp så mycket litium – ökar i volym med så många som fyra gånger – att det kan vara en nackdel. Den mekaniska påfrestningen på det spröda materialet är så stor att kiselanoder tenderar att spricka efter att de laddats och urladdats bara några gånger. Så forskare, inklusive Cho och Stanford materialforskare Yi Cui , har utvecklat nanostrukturerat kisel utformat för att bättre motstå dessa påfrestningar. De har gjort kisel nanotrådanoder och nanoporösa kiselanoder. Nu har de samarbetat för att utveckla nanorörsanoder av kisel, vars lagringskapacitet är bättre än andra nanostrukturerade kiselmaterial, säger Cho.
Kiselnanoröranoden ser ut som ett gäng ihåliga sugrör. Medan kisel nanotrådar kan interagera med litium endast på sin yta, har nanorören mer exponerad yta inuti. Nanoröret har en stor yta - mycket mer utrymme för reaktionsplatser än andra typer av material, säger Cho. Formen hjälper också till att lindra mekanisk belastning när batteriet laddas och laddas ur, eftersom det finns extra utrymme för kislet att expandera och dra ihop sig.
Kiselnanorören tillverkas genom att upprepade gånger doppa en aluminiummall i en kisellösning och sedan värma den och etsa strukturen i syra för att avlägsna aluminiumet. Det är väldigt enkelt och mallen är kommersiellt tillgänglig, säger Cho. Tillsammans med LG Chem arbetar Cho med malltillverkaren för att göra en mall kompatibel med storskalig tillverkning. Han tror att batterier som innehåller nanorörselektroderna kan finnas på marknaden om tre år.
Det är för tidigt att avgöra om kiselanoder skulle öka kostnaden för litiumbatterier. Men även om kostnaden är högre, eftersom man kan få hög kapacitet [med kisel], kommer det att finnas en fördel, säger Arumugam Manthiram , professor i ingenjörs- och energistudier vid University of Texas i Austin.
LG Chem är inte det enda batteriföretaget som arbetar med silikonanoder; 3M och Sanyo utvecklar också tekniken. Men det återstår stora utmaningar innan dessa elektroder kommer att byggas in i fordonsbatterier, varningar Stanley Whittingham , professor i materialvetenskap och kemi vid State University of New York i Binghamton. Ett av problemen med kisel är att få tillbaka all energi du lägger i – en egenskap som kallas coulombisk effektivitet. Med tiden kommer mindre och mindre av energin som har lagts in att laddas ur från ett batteri med hjälp av en kiselanod. Cui och Cho har demonstrerat sina anoders prestanda efter 200 laddningar. Men innan en anod kan användas i ett fordon, säger Whittingham, måste dess coulombiska effektivitet bevisas över hundratals eller tusentals laddningar, och en sådan långsiktig prestanda har ännu inte visats med kisel.
En annan utmaning är att dessa högpresterande anoder för närvarande måste paras ihop med mindre stellar katoder. För att fullt ut inse fördelen med en kiselanod behöver du en katod vars laddningslagringskapacitet också är 10 gånger bättre, säger Cui. För att matcha dem i ett fungerande batteri för testning, paras kiselanoder för närvarande med katoder med stora volymer gjorda av konventionella material. Cui och Cho utvecklar också nya katodmaterial i samarbete med LG Chem.