Litiumjonbatterier med högre kapacitet

Forskare i Frankrike har skapat litiumjonbatterielektroder med flera gånger energikapaciteten, i vikt och volym, jämfört med konventionella elektroder. De nya elektroderna kan hjälpa till att krympa storleken på batterier till mobiltelefoner och bärbara datorer, eller förlänga den tid en enhet kan köras på en laddning. Dessutom kan de nanotekniska metoderna som används för att tillverka dessa elektroder tillhandahålla ett enkelt och billigt sätt att strukturera nya material för nästa generations batterier för plug-in hybrid och helelektriska fordon.

En skog av kopparstavar med en diameter på cirka 100 nanometer skapar mycket mer yta för batterielektroder med hög kapacitet.

Nyckelframsteg är utvecklingen av ett billigt och enkelt sätt att organisera små partiklar till en önskad nanostruktur, säger Patrice Simon, kemiprofessor vid Université Paul Sabatier, som deltog i arbetet tillsammans med andra forskare vid universitetet och Université Picardie Jules Verne.

I en konventionell batterielektrod kommer joner och elektroner att röra sig snabbt in och ut ur det aktiva materialet – vilket möjliggör snabb laddning och urladdning – endast om materialet deponeras i en mycket tunn film. Tunna filmer begränsar dock mängden aktivt material som kan införlivas i ett batteri. För batterier med hög kapacitet ökar ingenjörer vanligtvis tjockleken på det aktiva materialet, vilket byter ut snabbladdning och högeffektutbrott för mer energilagring.

Denna nya nanostruktur möjliggör både hög effekt och hög lagringskapacitet. Aktiva material appliceras i en mycket tunn film på kopparnanostavar som är förankrade vid ark av kopparfolie. Denna tunna film möjliggör snabb rörelse av joner och elektroner – ger kraften. Samtidigt gör den höga ytan av skogen av nanorods det möjligt att packa mycket mer aktivt material i en elektrod än vad tunna filmer vanligtvis tillåter, vilket ökar energikapaciteten. Stavarna ger 50 kvadratcentimeter ytarea för varje kvadratcentimeter elektrod.

Dessutom gör den höga jon- och elektronrörligheten i det tunna lagret det möjligt att använda ett nytt aktivt material och en ny kemisk reaktion för litiumjonbatterier. Denna nya kemi är attraktiv eftersom den kan ta emot mycket mer litiumjoner, och deras elektronmotsvarigheter, än den kemi som används nu, och därmed potentiellt lagra mer energi.

De nya elektroderna, som skulle användas som negativa elektroder i litiumjonbatterier, visade också förmågan att behålla sin höga kapacitet efter att ha laddats och urladdats många gånger, vilket tyder på att elektroderna kan ha en lång användbar livslängd, säger Simon, även om mer omfattande tester behövs för att bekräfta detta antagande.

Eftersom detta förskott, beskrivs online denna vecka i Naturmaterial , gäller hittills negativa elektroder, den procentuella ökningen av kapacitet jämfört med dagens batterier kommer att bero på kapaciteten hos den positiva elektroden också. (Se Battery Breakthrough för en beskrivning av en möjlig positiv elektrodkandidat som citeras av forskarna.) De första tillämpningarna av tekniken kommer sannolikt att vara extremt små batterier, säger Simon. Dessa kan vara användbara för fjärrsensorer eller medicinska implantat. Ytterligare tillämpningar kommer att kräva att storleken på de elektroder som forskarna kan tillverka, och även optimera det aktiva materialet de använder.

Materialen som används i rapporterade experiment är inte energieffektiva – cirka 20-25 procent av energin som används för att ladda dem kan inte återvinnas när de laddas ur. Denna energiförlust är inte ett stort problem med mobiltelefonbatterier, säger Gerbrand Ceder, materialvetenskap och ingenjörsprofessor vid MIT. Under livet spenderar du förmodligen några slantar på att ladda mobilen, säger han. Men för större energitillämpningar, såsom elfordon, kan denna brist på effektivitet bli kostsam, särskilt med höga elpriser. Av denna anledning införlivar forskarna olika aktiva material med hög kapacitet i sina nanostrukturerade elektroder som inte har detta energieffektivitetsproblem.

När de vänder sig till nanoteknik för att förbättra batterier är de franska forskarna inte unika. Minst två företag, A123 Systems, i Watertown, MA, och Altair Nano, i Reno, NV, har tillverkat batterier som inkluderar elektroder med nanostrukturerade aktiva material; och många forskargrupper runt om i världen utvecklar sådana elektroder. Simon beskriver sin grupps process som enklare och billigare än många andra metoder för att göra nanostrukturer. Den är också mångsidig och kan användas med en mängd olika aktiva material, säger han.

Det kan också vara viktigt för en annan nyckeltrend inom batteriforskning: övergången från platta lager av elektrodmaterial till positiva och negativa elektroder som tränger in i varandra – en tredimensionell arkitektur som kan förbättra rörligheten för joner och elektroder och därigenom öka batterieffekten. Den franska gruppen arbetar nu också med ett tredimensionellt batteri, säger Simon, som kommer att kombinera deras negativa elektroder med en högpresterande positiv elektrod.

Dölj