211service.com
Batterier med længere levetid til bærbare computere
Konventionelle lithium-ion-batterier i bærbare computere og mobiltelefoner mister hurtigt deres evne til at lagre energi og kan gå i brand, hvis de bliver overopladet eller beskadiget. Nu forskere ved Argonne National Laboratory i Argonne, IL, har udviklet kompositbatterimaterialer, der kan gøre sådanne batterier både sikrere og længere levetid, samtidig med at de øger deres kapacitet til at lagre energi med 30 procent.
Kraftige partikler: Nye lithium-ion-batterielektrodematerialer, vist her under et elektronmikroskop, kan lagre mere energi, og det gør det mere sikkert end konventionelle lithium-ion-batterier i bærbare computere og mobiltelefoner.
I sidste måned tog forskerne et væsentligt skridt i retning af at kommercialisere teknologien ved at licensere den til et større materialeforsyningsfirma, Toda Kogyo, baseret i Japan. Virksomheden har kapacitet til at lave materialerne til omkring 30 millioner bærbare batterier om året, siger Gary Henriksen, der leder forskning i elektrokemisk opbevaring hos Argonne.
De nye materialer er et eksempel på en ny generation af lithium-ion-elektrodekemi, der adresserer manglerne ved konventionelle lithium-ion-batterier. Hver har sine egne afvejninger. For eksempel har et andet materiale kaldet lithiumjernfosfat bedre sikkerhed og holdbarhed end Argonnes materialer, men det lagrer noget mindre energi end konventionelle lithium-ion-batterier. Argonnes materialer forbedrer sikkerheden og pålideligheden af nutidens bærbare batterier, samtidig med at de lagrer mere energi.
Argonne-forskerne har forbedret ydeevnen af de positive elektroder ved at øge den kemiske og strukturelle stabilitet af de materialer, der allerede bruges i bærbare batterier. I konventionelle lithium-ion-batterier, som har koboltoxidelektroder, kan en lille mængde overophedning, forårsaget af overopladning af materialet eller af elektriske kortslutninger inde i et batteri, føre til hurtigt stigende temperaturer inde i cellen og i nogle tilfælde forbrænding. Det skyldes, at når materialet overophedes, afgiver koboltoxidet let ilt, som reagerer med opløsningsmidlet i batteriets elektrolyt og genererer mere varme, der nærer reaktionerne. Argonne-forskerne adresserede dette problem ved at erstatte noget af koboltoxidet med manganoxid, som er kemisk mere stabilt.
Forskernes næste skridt var at erstatte nogle af de aktive metaloxidmaterialer i elektroden med et beslægtet, men elektrokemisk inaktivt materiale, der danner en komposit. Dette materiale lagrer ikke energi, fordi det ikke frigiver og optager lithium-ioner, når batteriet oplades og aflades. (Lithium-ion-batterier skaber elektrisk strøm, da lithium-ioner pendler mellem positive og negative elektroder.) Det inaktive materiale gør kompositten mere stabil end konventionelle elektrodematerialer, hvilket betyder, at den kan holde længere. En version af materialet kan holde til 1.500 opladninger og afladninger uden at miste meget kapacitet, siger han. Det er mere end det dobbelte af levetiden for konventionelle bærbare batterier.
Hvad mere er, at reducere mængden af aktivt, energilagrende materiale har den kontraintuitive effekt, at det øger kompositmaterialets lagerkapacitet. Hvis der fjernes for meget lithium fra konventionelle koboltoxidmaterialer, nedbrydes materialet og mister hurtigt sin evne til at oplade og aflade fuldt ud. Det inaktive materiale gør det muligt at bruge meget mere af lithiumet uden at beskadige materialet.
Elektrodematerialet kan lagre 45 procent til 50 procent mere energi end de bedste elektroder i bærbare batterier. I form af en hel battericelle – givet at den positive elektrode repræsenterer mindre end halvdelen af den samlede vægt og volumen af en battericelle – kan batteriets samlede energilagring forbedres med 20 procent til 30 procent, siger Henriksen.
Forskernes næste skridt er at forbedre hastigheden, hvormed kompositmaterialet kan oplades og aflades, så det kan bruges i hybridbiler. Som det er lavet nu, kan Argonne-materialet aflades fuldstændigt på cirka tre timer – hurtigt nok til bærbare computere, men alt for langsomt til en bil. Afladningshastigheden skal være mindst tre gange hurtigere, og sandsynligvis mere, for at teknologien kan fungere i plug-in hybrider, køretøjer, hvor batteriet kan genoplades fra en konventionel stikkontakt.
Yet-Ming Chiang, professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved MIT, siger, at det nye materiale er en væsentlig forbedring i forhold til lithium-koboltoxid til bærbare batterier. Hvis du tænker på det i form af en mark, der vokser 8 til 9 procent om året, har du bare sparet dig selv for tre år. Du har måske sprunget konkurrencen ud, siger han. Jeg er sikker på, at enhver, der laver batterier til mobiltelefoner og bærbare computere, ville være meget glade for at have den slags fordel.