211service.com
Superladdande litiumbatterier
Befintliga litiumbatterier kan göra det möjligt för batteridrivna elektriska fordon att resa hundratals mil på en laddning, vilket föranleder ett lopp bland stora biltillverkare för att visa att batterierna är tillräckligt säkra och hållbara för massmarknadsföring. Batteriutvecklare fortsätter samtidigt att pressa litiumprestanda. Förra månaden avslöjade materialforskare vid Stanford University en nanotrådselektrod som kan mer än tredubbla litiumbatteriernas energilagringskapacitet och förbättra deras säkerhet.
Svällande nanotrådar: Vid laddning med litiumjoner sväller dessa nanotrådar av kisel från 89 nanometer breda (överst) till 141 nanometer breda och långsträckta (botten); de kan ta emot 10 gånger fler litiumjoner än vad konventionella grafitelektroder kan. Som ett resultat kan nanotrådarna mer än tredubbla energikapaciteten hos litiumbatterier.
Utvecklingen, rapporterad i den vetenskapliga tidskriften Naturens nanoteknik , härstammar från laboratoriet för nanotrådsinnovatören Yi Cui och batteriexperten Robert Huggins på Stanford's Institutionen för materialvetenskap och teknik . Forskarna visar att nanotrådar av kisel bara några få atomer tvärs över kan fungera som högkapacitetselektroder, absorbera och släppa ut cirka 10 gånger mer litiumjoner än de grafitelektroder som vanligtvis används idag.
Att ladda ett litiumbatteri innebär vanligtvis att litiumjoner flyttas från batteriets positiva elektrod eller katod till dess negativa elektrod eller anod. Kisel har rätt elektrokemisk affinitet för litiumjoner för att göra det till ett lovande material för anoder. Faktum är att det fram till nu har varit lite för lovande. Kiselanoder absorberar för mycket litium. Vid laddning sväller kiselanoderna till fyra gånger sin tidigare volym, vilket bryter sönder materialet. Efter bara några laddningscykler är anoderna färdiga.
Nanotrådar däremot tar svullnaden med ro. Stanford-medarbetarnas kiselnanotrådar sväller när de laddas från 89 nanometer breda till 141 nanometer breda och förlängs samtidigt, vilket släpper påfrestningen. De visar inga tecken på mekaniskt fel efter mer än 20 cykler.
Inte heller, enligt Cui, verkar kiselnanotrådarna lika mottagliga som grafit för typiska felmekanismer som orsakar säkerhetsproblem (inklusive bränder som orsakade nya regler från det amerikanska transportdepartementet denna vecka begränsar litiumbatterier i incheckat bagage). Potentiellt kommer kisel att vara mycket säkrare än kol, säger Cui, som påpekar att förbättrad säkerhet kan vara nyckeln till litiums framtida acceptans i fordon. Det krävs bara en olycka eller två för att förstöra en teknik. Han säger att testning över många fler cykler pågår för att bekräfta kisel-nanotrådanodens förbättrade hållbarhet och säkerhet.
Nackdelen är att nanotrådstillväxtprocessen som Cui använder, som matar gasformigt kisel till en flytande guldkatalysator för att göra den fasta elektroden, är en högtemperaturprocess (600 till 900 °C) som kan vara kostsam att skala upp. Cui tror att uppskalning av ånga-vätska-fast-processen ändå är genomförbar, men han erkänner att han också utforskar ett annat tillvägagångssätt.
Ohio State University kemist Yiying Wu , som också arbetar på nanotrådselektroder, kallar Stanford-arbetet definitivt mycket viktigt. Men Wu och andra materialforskare varnar för att ytterligare framsteg kommer att krävas innan litiumbatterier med nanotrådselektroder ger stora ökningar i prestanda för elfordonsbatterier. Inte minst är behovet av att skala upp processen att tillverka nanotrådar, som ännu inte har massproducerats för kommersiell tillämpning.
En annan begränsning är att medan Cuis kiselnanotrådar gör fantastiska anoder, har litiumbatteriteknik ett större behov av förbättrade katoder. I ett givet batteri har byte av en anod som lagrar mer litiumjoner ingen effekt utan en motsvarande katod som kan ge mer laddning.
Både Cui och Wu (som rapporterad hans egen utveckling av litiumanod förra månaden med en nanotråd av koboltoxid med hög kapacitet) säger att deras labb arbetar med nya material för katoder. Det är den heliga gralen för den här verksamheten, säger Wu. Alla som kan generera mycket högre katodkapacitet kommer att ge ett stort genombrott för litiumbatteriet.