Litiumjonbatterier för mindre

Ett nytt sätt att tillverka avancerade litiumjonbatterimaterial löser ett av deras främsta återstående problem: kostnaden. Arumugam Manthiram , en professor i materialteknik vid University of Texas i Austin, har visat att en mikrovågsbaserad metod för att tillverka litiumjärnfosfat tar mindre tid och använder lägre temperaturer än konventionella metoder, vilket kan leda till lägre kostnader.

Nanokraft: En elektronmikroskopbild av 40 nanometer breda stavformade partiklar som utgör ett lovande batterimaterial.

Litiumjärnfosfat är ett alternativ till den litiumkoboltoxid som används i de flesta litiumjonbatterier i bärbara datorer. Det lovar att bli mycket billigare eftersom det använder järn snarare än den mycket dyrare metallen kobolt. Även om det lagrar mindre energi än vissa andra litiumjonmaterial är litiumjärnfosfat säkrare och kan tillverkas på sätt som gör att materialet kan leverera stora kraftutbrott, egenskaper som gör det särskilt användbart i hybridfordon.

Faktum är att litiumjärnfosfat har blivit ett av de hetaste nya batterimaterialen. Till exempel, A123-system , en startup baserad i Watertown, MA, som har utvecklat en form av materialet, har samlat in mer än 148 miljoner dollar och kommersialiserat batterier för uppladdningsbara elverktyg som kan överträffa konventionella plug-in-verktyg. Materialet är också en av de typer som testas för en ny elbil från General Motors.

Men det har visat sig svårt och dyrt att tillverka litiumjärnfosfatbatterier, vilket minskar potentiella kostnadsbesparingar jämfört med mer konventionella litiumjonbatterier. Vanligtvis tillverkas materialen i en process som tar timmar och kräver temperaturer så höga som 700 °C.

Manthirams metod går ut på att blanda kommersiellt tillgängliga kemikalier – litiumhydroxid, järnacetat och fosforsyra – i ett lösningsmedel och sedan utsätta denna blandning för mikrovågor i fem minuter, vilket värmer upp kemikalierna till cirka 300 °C. Processen bildar stavformade partiklar av litiumjärnfosfat. De högst presterande partiklarna är cirka 100 nanometer långa och 25 nanometer breda. Den lilla storleken behövs för att litiumjoner ska kunna röra sig snabbt in och ut ur partiklarna under laddning och urladdning av batteriet.

För att förbättra prestandan hos dessa material belade Manthiram partiklarna med en elektriskt ledande polymer, som själv behandlades med små mängder av en typ av sulfonsyra. De belagda nanopartiklarna införlivades sedan i en liten battericell för testning. Vid låga urladdningshastigheter visade materialen en imponerande kapacitet: vid 166 milliampere timmar per gram kom materialen nära den teoretiska kapaciteten för litiumjärnfosfat, vilket är 170 milliampere timmar per gram. Denna kapacitet sjönk snabbt vid högre urladdningshastigheter i inledande tester. Men Manthiram säger att de nya versionerna av materialet har visat bättre prestanda.

Det är fortfarande för tidigt att säga hur mycket det nya tillvägagångssättet kommer att minska kostnaderna vid tillverkning av litiumjärnfosfatbatterier. Metodens låga temperaturer kan minska energibehovet och att den är snabb kan leda till högre produktion av samma mängd utrustning – vilket båda kan göra tillverkningen mer ekonomisk. Men kostnaden för den ledande polymeren och tillverkningsutrustningen måste också räknas in, och processen måste demonstreras i stor skala. Processen kommer också att behöva konkurrera med andra lovande experimentella tillverkningsmetoder, säger Stanley Whittingham , professor i kemi, materialvetenskap och teknik vid State University of New York i Binghamton.

Manthiram har nyligen publicerat framsteg för två andra typer av litiumjonbatterimaterial och arbetar med ActaCell , en startup baserad i Austin, TX, för att kommersialisera tekniken som utvecklats i hans labb. Företaget, som förra veckan meddelade att det har samlat in 5,58 miljoner dollar i riskfinansiering, har redan licensierat en del av Manthirams teknologi, men det kommer inte att säga vilken teknologi förrän nästa år.

Dölj