211service.com
Batterier, der genoplades på få sekunder
En ny måde at lave batterielektroder baseret på nanostruktureret metalskum er blevet brugt til at lave et lithium-ion-batteri, der kan oplades 90 procent på to minutter. Hvis metoden kan kommercialiseres, kan det føre til bærbare computere, der oplades på få minutter, eller mobiltelefoner, der oplades på 30 sekunder.
Skum kraft: Denne lithium-ion batteri katode kan bruges til at lave et batteri, der rummer lige så meget energi som et konventionelt, men kan genoplades hundrede gange hurtigere.
Metoderne, der bruges til at fremstille de ultrahurtige opladningselektroder, er kompatible med en række batterikemi; forskerne har også brugt dem til at fremstille nikkel-metalhydrid-batterier, den slags, der almindeligvis bruges i hybrid- og elbiler.
Hvor hurtigt et batteri kan oplades og derefter frigive den effekt, er primært begrænset af bevægelsen af elektroner og ioner ind og ud af katoden, elektroden, der er negativ under genopladning. Forskere har forsøgt at bruge nanostrukturerede materialer til at forbedre processen, men der er normalt en afvejning mellem den samlede energilagringskapacitet (som bestemmer, hvor længe et batteri kan køre, før det skal genoplades) og opladningshastigheder. Folk løste halvdelen af problemet, siger Paul Braun , professor i materialevidenskab og teknik ved University of Illinois i Urbana-Champaign.
Brauns gruppe har lavet meget porøst metalskum belagt med en stor mængde aktive batterimaterialer. Metallet giver høj elektrisk ledningsevne, og selvom det er porøst, rummer strukturen nok aktivt materiale til at opbevare en tilstrækkelig mængde energi. Porerne tillader ioner at bevæge sig uhindret.
Det første trin i fremstillingen af katoderne er at skabe en opslæmning af polymerkugler på overfladen af et ledende substrat. På grund af deres form og overfladeladning samler kuglerne sig selv til et regulært mønster. Illinois-forskerne bruger derefter en almindelig teknik kaldet galvanisering til at fylde rummet mellem kuglerne med nikkel. Dernæst opløser de polymerkuglerne og det meste af metallet for at efterlade en nikkelsvamp, der er omkring 90 procent åben plads. Til sidst dyrker de det aktive materiale oven på svampen.
Det er et stykke afstand til et produkt, men vi har ret gode laboratoriedemoer med nikkel-metalhydrid- og lithium-ion-batterier, siger Braun. Illinois-gruppen har lavet lithium-ion-batterier, der oplades næsten helt på omkring to minutter. Metoden skulle kunne anvendes til de cellestørrelser, der er nødvendige for bærbare computere og elbiler, selvom forskerne ikke har lavet dem endnu.
Den præstation, de fik, er uden fortilfælde, siger Andreas Stein, professor i kemi ved University of Minnesota. Stein var banebrydende for den polymer-partikel-skabelonmetode, som Brauns gruppe brugte. Brauns arbejde er beskrevet i journalen Natur nanoteknologi .
Jeff Dahn , professor i fysik ved Dalhousie University, er skeptisk over, at disse elektroder nogensinde vil ende i produkter. Når man ser på flowdiagrammet for at lave denne struktur, er det ret kompliceret, og det bliver dyrt, siger han.
Braun erkender: Der er masser af mennesker, der kommer med elegante [elektrode] strukturer, men det er vanskeligt at fremstille dem. Han siger dog, at hans fremstillingsproces kombinerer eksisterende metoder, der i øjeblikket er meget brugt til at lave andre produkter, hvis ikke for at lave batterier, og at det ikke burde være for svært at tilpasse dem. Processen ville tilføje ekstra trin til fremstilling af et batteri, men disse trin er ikke særlig dyre eller komplekse, siger Braun.
Brauns gruppe vil næste gang teste elektrodestrukturen med en bredere vifte af batterikemi og arbejde på at forbedre batteriernes anden halvdel, anoden – et mere vanskeligt projekt.