211service.com
Bedre lithium-ion-batterier
En ny inkarnation af lithium-ion-batterier baseret på solide polymerer er på vej. Berkeley, CA-baseret opstart Seeo, Inc . siger, at dets lithium-ion-celler vil være sikrere, længerevarende, lettere og billigere end nuværende batterier. Seeos batterier bruger tynde film af polymer som elektrolyt og lette elektroder med høj energitæthed. Lawrence Berkeley National Laboratory fremstiller og tester nu celler designet af University of California, Berkeley spinoff.
Hård og kompakt: Lithium-ion-celler, der bruger polymerelektrolytter, kan pakkes til en overkommelig pris i kompakte, fleksible poser (vist ovenfor), i stedet for de lasersvejste metalbeholdere, der bruges i nuværende celler.
Lithium-ion-batterier bruges i mobiltelefoner og bærbare computere, fordi de er mindre og lettere end andre typer batterier. De er også lovende for el- og hybridbiler. Konventionelle materialer og kemi har dog forhindret dem i at blive brugt meget i biler.
Nutidens lithium-ion-batterier bruger lithium-koboltoxidelektroder og en flydende elektrolyt, typisk lithiumsalte opløst i et organisk opløsningsmiddel. Elektrodematerialet kan frigive ilt, når det overoplades eller punkteres, hvilket får det brændbare opløsningsmiddel til at antænde, og batteriet eksploderer. Desuden er de ladede elektroder meget reaktive med den flydende elektrolyt, hvilket reducerer effekt og [cyklus-levetid], siger Khalil Amine , leder af den avancerede batteriteknologigruppe på Argonne National Laboratory.
Seeos vigtigste gennembrud er en solid polymerelektrolyt. Det er ikke brandfarligt og derfor i sagens natur sikrere. Derudover vil batteriet bevare mere af sin kapacitet over tid, fordi polymeren ikke reagerer med den ladede elektrode. Livstidsdata tyder på, at konventionelle lithium-ion-systemer mister omkring 40 procent kapacitet i 500 cyklusser, siger Mohit Singh, medstifter af Seeo. Vi får et meget bedre cyklusliv. Vi kan gennemgå 1.000 cyklusser med mindre end 5 procents kapacitetstab.
For den negative elektrode eller anode fungerer elektrolytten også med lithiummetalfilm, som er lettere end nuværende anodematerialer. Det betyder, at batteriet kan give mere energi til samme vægt. Baseret på batteriets enkeltcelle har Seeo beregnet, at det ville have en energitæthed på op til 300 watt-timer pr. kilogram, hvilket er 50 procent større end lithium-ion-batterier, der er på markedet i dag.
Batterier med faste elektrolytter har den ekstra bonus, at de er billigere at fremstille, siger Amine. Mens flydende elektrolytter skal være tæt forseglet inde i en lasersvejset metalbeholder, kan plastikelektrolytter pakkes i varmeforseglede poser.
Fordelene ved polymermaterialer har berettiget forskning i polymerelektrolytter i mere end tre årtier. Faktisk findes lithiumpolymerbatterier allerede i radiostyrede biler og MP3-afspillere. Men de bruger en polymergel, der indeholder opløsningsmidler, så ligesom flydende elektrolytter bærer de risikoen for brand eller eksplosion og har ikke en særlig lang levetid.
Det har været vanskeligt at fremstille faste polymerer, der er lige så ledende som flydende elektrolytter. I et opladningsbatteri leder elektrolytten lithiumioner fra den positive elektrode eller katode til anoden. Jo højere elektrolyttens ledningsevne er, jo hurtigere oplades batteriet. St. Paul, MN-baseret 3M og Montreal, Canada-baseret elleverandør Hydro-Quebec har brugt mere end 10 år på solid-polymer lithium-batterier. Men du skal betjene polymeren ved 60 grader Celsius for at forbedre ledningsevnen, siger Amine. Dette er ikke særlig praktisk.
Problemet er, at en polymers ledningsevne og mekaniske styrke ikke går hånd i hånd. Hvis folk forsøgte at lave polymerer med høj ionisk ledningsevne, ville de ende med en goop, siger Singh.
Seeo er kommet uden om problemet ved at lave film med blokcopolymerer: materialer, der indeholder to forbundne polymerkæder, der selv samles til nanostrukturer. En af polymererne danner en række ledende cylindre, der er indlejret i den anden polymer, som tjener som en hård matrix. Singh siger, at elektrolytfilmen er robust og er næsten lige så ledende som flydende elektrolytter.
Seeos teknologi er blevet meget attraktiv på grund af dens påstand om en polymer med høj ledningsevne, siger Amine. Lithiumanoden kunne dog være en show-stopper. Lithium har en tendens til at blive ru i overfladen og vokse krystaldendritter, der kan nå katoden og kortslutte batteriet. Virksomheden bliver nødt til at lave langsigtede test for at vise, at dens polymer er hård nok til at blokere dendritterne.
Polymerelektrolytter har også en stor iboende ulempe. Polymerer vil altid være begrænset af lavere ionisk ledningsevne sammenlignet med væsker, siger Singh. Dette betyder, at Seeos batteri ville være begrænset til brug i bærbare computere og elektriske køretøjer. Men disse polymerer ville ikke være i stand til at håndtere hurtigopladningsapplikationer som hybrid-elektriske køretøjer eller elværktøj.