211service.com
Nanowire Advance för litiumbatterier
Litiumjon har blivit det bästa batteriet för elfordon, vilket driver forskare att förbättra teknikens prestanda, livslängd och tillförlitlighet. En ny typ av nanotrådselektrod utvecklad av materialvetenskap och ingenjörsprofessor Yi Cui på Stanford är ett steg mot det målet.
Nanowire Boost: Kolnanotrådar belagda med kisel (botten) producerar ett material som kan lagra sex gånger så mycket laddning som den grafit som används i dagens litiumbatterielektroder. (Okala kolnanotrådar visas överst.)
De nya elektroderna, diskuterade i förra veckans Nanobokstäver , kan lagra sex gånger så mycket laddning som grafitelektroderna i nuvarande litiumbatterier – det betyder elbilar som ger mer körsträcka per laddningssession.
När ett litiumbatteri laddas, rör sig litiumjoner från den positiva elektroden (katoden) till den negativa anoden. Kisel är ett lovande material för anoder eftersom det kan lagra över 10 gånger så många joner som grafit med samma vikt. Men när kisel absorberar laddning sväller det till fyra gånger sin ursprungliga volym och spricker efter några laddningscykler.
De nya nanotrådarna utnyttjar egenskaperna hos kisel och grafit. Cui och hans kollegor tillverkar materialet genom att avsätta amorft kisel på nanotrådar av kol. Ledningarna kan lagra en laddning på cirka 2 000 milliampetimmar per gram, medan grafitanoder lagrar mindre än 360 milliampere timmar per gram. Samtidigt gör kolkärnan dem robusta. Litiumjoner kan också absorberas i kol, säger Cui, men volymexpansionen av kol är 10 procent eller mindre, så det ger en stabil ryggrad. I tester presterade nanotrådarna bra under mer än 50 laddningscykler.
Forskarna hade tidigare gjort elektroder av ren kristallin kisel nanotråd. De hade tre gånger så stor lagringskapacitet som grafitelektroder men höll bara i 20 cykler.
Kol-kisel nanotrådarna är också lättare att tillverka. De kräver inte de höga temperaturer som behövs för att odla nanotrådarna som endast innehåller kisel. Kolnanofiber är redan kommersiellt tillgänglig och du kan producera ton, säger Cui. Beläggningsprocessen kan göras mycket snabbare och är lätt för storskalig tillverkning.
För användning i kommersiella elfordon måste litiumbatteriets elektroder hålla i minst 300 laddningscykler. I detta avseende kan nanotrådarna möta hård konkurrens. I december 2008 avtäckte ett team från Hanyang University i Ansan, Sydkorea, nanoporösa kiselanoder som höll i mer än 100 laddningscykler och kunde lagra mer laddning än nanotrådarna. Kemist Jaephil Cho , som ledde arbetet, säger att det nanoporösa materialet har mer kisel per volymenhet än nanotrådar, så det kan hålla mer laddning per volymenhet. Men, säger han, är kolfiber [tillverkning] lätt att skala upp och därför tros [Cui's] metod för att göra kol-kisel nanotrådar vara mycket praktisk.
General Motors och Applied Sciences utvecklar samtidigt nanotrådanoder som liknar Stanford-teamets. Företagen belägger kolnanofibrer med kiselpartiklar, i motsats till amorft kisel, vilket resulterar i anoder som kan lagra laddningar på 1 000 till 1 500 milliampere timmar per gram. Gholam-Abbas Nazri, som leder arbetet vid GM Research and Development Center i Warren, MI, säger att anodkapaciteten kan ökas genom att göra kiselskiktet tjockare, men just nu är det bäst att stabilisera kapaciteten på 1 000 milliampetimmar per gram. Anoder som lagrar mer laddning behöver katoder som kan ge högre laddning, säger Nazri, och för tillfället finns det ingen katod [material] med tillräcklig kapacitet för att matcha kol-kiselanod.
Cui är övertygad om framgången med kisel som anodmaterial för litiumbatterier. Under de närmaste fem åren eller mindre kommer vi att se ett batteri med kiselanoder, säger han. Kostnaden kommer dock att vara den avgörande faktorn. I slutändan, säger han, beror allt på vem som kan komma med en låg kostnad, storskalig tillverkningsprocess, producera den bästa prestandan och lägga ut produkter.