211service.com
3M's Lithium-Ion-batterier med højere kapacitet
Ved udgangen af næste år vil ingeniører kl 3M , baseret i St. Paul, MN, forventer at have klar til batteriproducenter nye materialer og fremstillingsmetoder, der vil tilføje 30 procent mere kapacitet til lithium-ion-batterier. Disse nye metoder vil også adressere sikkerhedsproblemer omkring brugen af sådanne batterier i bærbare computere.
De nylige tilbagekaldelser af Sonys lithium-ion bærbare batterier, på grund af frygt for, at batterierne kunne gå i brand, omfattede dem, der blev brugt i nogle Dell- og Apple-computere og kunne strække sig til så mange som 9,6 millioner bærbare batterier. Så det er ingen overraskelse, at selvom Sony siger, at der er foretaget ændringer på fabrikker, der burde tage sig af problemet, kæmper mange producenter for at finde en mere sikker teknologi. Men alternativer til konventionelle lithium-ion-batterier har en tendens til at give afvejninger, såsom øgede omkostninger eller nedsat energilagringskapacitet (se sikrere batterier med højere kapacitet og hvordan fremtidige batterier vil være længerevarende og sikrere).
3Ms fremskridt omfatter nye elektrolytter og elektrodematerialer. Selvom begge materialer vil koste mere end konventionelle lithium-ion-batterier, bør den ekstra energikapacitet af elektrodematerialerne kompensere for udgiften ved at sænke nøglemålet for batteripris, pris pr. watttime, siger 3M-forskningsspecialist Mark Obrovac.
Virksomheden adresserer batterisikkerhed ved at forbedre elektrolytterne, væsken inde i lithium-ion-batterier, der leder lithium-ioner, men blokerer elektroner, hvilket tvinger dem til at rejse gennem et eksternt kredsløb for at drive en enhed. Under visse forhold, såsom når et batteri er overopladet, overophedet eller har en intern kortslutning forårsaget af beskadigelse eller fremstillingsproblemer, kan elektrolytten reagere kemisk med materialer i batterielektroderne. I nogle tilfælde kan batteriet eksplodere og sprøjte elektrolyt ind i den omgivende luft, hvor det kan antændes som en flammekaster, siger Obrovac.
Virksomheden har udviklet tilsætningsstoffer til eksisterende elektrolytter, samt nye elektrolytter, der ikke vil reagere med elektroderne. Faktisk, når de udsættes for åben ild, antændes de sikrere elektrolytter ikke. Som en ekstra bonus, siger 3M's tekniske leder for batteriforskning, Doug Magnuson, fungerer de nye kemier bedre ved ekstremt kolde temperaturer, såsom minus 40 grader Celsius, hvor andre elektrolytter blokerer ionstrømmen og effektivt reducerer batterikapaciteten med 80 til 90 procent. . Dette kapacitetstab er nu en vigtig hindring for at bruge lithium-ion-batterier i hybridbiler, som kan blive udsat for disse forhold. De nye elektrolytter ville tillade ioner at flyde mere frit ved disse temperaturer, hvilket potentielt begrænser tabene til omkring 40 procent af kapaciteten, vurderer Obrovac.
3M-ingeniører siger også, at nye elektrodematerialer vil forbedre batterikapaciteten med 30 procent. For eksempel udskifter virksomheden de nuværende anodematerialer, baseret på grafit, med en siliciumbaseret anode, der skal fordoble mængden af lithiumioner, anoden kan opbevare. Kapaciteten af lithium-ion-batterier er begrænset af mængden af lithium, der kan opbevares i elektroderne. Grafitanoder kan kræve seks kulstofatomer for at lagre kun en lithiumion. Elektroder, der indeholder metaller og metalloider, såsom tin eller silicium, kan indeholde mange flere lithiumioner - for eksempel næsten fire ioner for hvert siliciumatom - ved at danne legeringer.
Men sådanne elektroder har været upraktiske, fordi materialet kan svulme op til tre gange dets oprindelige størrelse, da det inkorporerer lithiumioner. Sådanne dramatiske ændringer i størrelse forårsager kaos på en celle og forkorter dens levetid.
3Ms tilgang reducerer mængden af anoden udvider sig ved at bruge amorft silicium i stedet for krystallinsk silicium og parre dette med inerte materialer, hvilket hjælper med at stabilisere systemet. 3M-ingeniører har også udviklet bedre metoder til at afsætte materialerne på filmene, der senere rulles sammen til et cylindrisk batteri. De optimerer nu disse metoder til produktion i stor skala.
De nye materialer reducerer, men eliminerer ikke ekspansion og sammentrækning, når ionerne bevæger sig ind og ud af anoden. Som et resultat er forskerne ved at udvikle nye batteridesigns, der kan absorbere ændringerne i størrelse. Obrovac siger, at disse designs sammen med de nye elektrode- og elektrolytmaterialer skulle være klar til, at batteriproducenter kan begynde at inkorporere i deres produkter engang næste år.
Ted Miller, supervisor for avanceret batteriteknologi på Ford Motor , i Dearborn, MI, siger, at en bevægelse væk fra grafit til disse typer anoder, ud over at tilbyde kapacitetsforøgelser, er afgørende for at klare ekstremt kolde forhold, som de kan blive udsat for i køretøjsapplikationer. Under disse forhold kan opladning af et batteri forårsage, at lithiummetal ophobes, hvilket nogle gange kan forårsage skade på batteriet for mange måneder i løbet af et par minutter. At bevæge sig væk fra grafit vil forhindre de reaktioner, der fører til opbygning af lithium-metal, siger Miller.
Indtil videre er der kun én legeringsbaseret anode, der bliver brugt kommercielt: Et batteri fra Sony kaldet Nexelium, som bruger en tinbaseret anode. Men denne teknologi vil begynde at dukke op oftere, ifølge MIT-materialeforsker Endnu-Ming Chiang . Det er en meget logisk retning for batteriselskaber at gå i, siger han.