En klæbrig kur til revneudsatte batterier med høj kapacitet

Hvis elbiler nogensinde skal køre flere hundrede kilometer mellem opladninger - som de skal for at konkurrere med gasdrevne biler - skal deres batterier lagre meget mere energi. Desværre er flere af de mest lovende batterimaterialer med høj kapacitet tilbøjelige til at gå i stykker på måder, der ville afkorte en elektrificeret roadtrip.

Helbredende kræfter: Revner dannet i en selvhelbredende batterielektrode, efter at den er opladet (øverst), begynder at forsegle igen efter fem timer (nederst). Elektroden, en blanding af siliciummikropartikler og en selvhelbredende polymer, blev afbildet ved hjælp af et scanningselektronmikroskop.

Nu har forskere ved Stanford University vist, at blanding af et sådant lovende batterimateriale, siliciummikropartikler, med selvhelbredende polymerer hjælper med at forhindre et længerevarende batteri i at svigte. De siger, at de selvhelbredende polymerer kunne stabilisere andre lovende, men beskadigede batterimaterialer.

Det selvhelbredende batteris negative elektrode, eller anode, kombinerer silicium med polymerer, der fungerer som kemiske lynlåse, helende revner, der dannes, når batteriet bruges og genoplades.

Den selvhelbredende batterielektrode er indtil videre blevet testet med rent lithiummetal som positiv elektrode, fordi dens lagerkapacitet er meget større end nogen konventionel katode. Selve den selvhelbredende elektrode har otte gange så stor lagringskapacitet som kulanoderne, der findes i et konventionelt genopladeligt lithium-ion-batteri. Hvis den blev parret med en konventionel katode, ville den skabe et batteri, der lagrede omkring 40 procent mere energi. Hvis den er parret med en tilsvarende høj kapacitet katode, vil den samlede energilagring blive fordoblet eller tredoblet.

Mens tidligere siliciumbatterier kun kunne aflades og genoplades 10 gange, før de gik i stykker, klarer det selvhelbredende batteri 100 opladningscyklusser. Men det er stadig ikke nok, erkender Stanfords materialeforsker Yi Cui . Vi skal gå til 500 cyklusser for bærbar elektronik og et par tusinde for elektriske køretøjer, siger Cui.

Alligevel kan Cuis tilgang give en ny vej frem for lovende materialer, der er gået i stå. Dette peger på en måde at løse et generelt problem med høj - kapacitetsanoder, siger Paul Braun , en materialeforsker ved University of Illinois i Urbana-Champaign, som ikke er involveret i arbejdet.

Siliciumanoder optager store mængder lithium, når batteriet oplades, og frigiver alt det lithium, efterhånden som batteriet tages i brug. Sådanne anoder kan lagre meget energi på et lille rum, men deres høje kapacitet er en forpligtelse, hvad angår de materialer, de er lavet af: Når store mængder lithium kommer ind i og forlader batteriet, udvider silicium sig og trækker sig sammen, knækker anoderne første gang de bruges; det samme sker med anoder lavet af tin og germanium.

For det selvhelbredende batteri samarbejdede Cui med en anden Stanford-forsker, Zhenan Bao , som tidligere havde udviklet selvhelbredende elektronisk hud baseret på en strækbar, klæbrig polymer (se Electric Skin that Rivals the Real Thing).

Power pack: Denne prototype lithium-ion battericelle bruger en selvhelbredende siliciumelektrode.

Når polymeren er brudt, flyder den sammen igen. Gruppen blandede nogle ledende kulstofpartikler i for at sikre, at polymeren, som ikke er ledende, ikke ville hæmme strømmen af ​​elektricitet gennem batteriet. Denne klistrede blanding blev derefter kombineret med siliciummikropartikler for at lave en anode. Når batteriet oplades og aflades, udvider silicium sig stadig, trækker sig sammen og brækker, men polymeren trækker alt sammen igen. Normalt, når anoden revner, mister du elektrisk kontakt, siger Cui. Den selvhelbredende polymer binder de ødelagte dele sammen igen.

Der er andre måder at håndtere siliciums tendens til at revne. Cuis gruppe har eksperimenteret med nanostrukturerede former for silicium, herunder nanotråde, der kan modstå belastningen ved opladning og genopladning. Nanostrukturerede siliciumanoder som denne udvikles af Mere , et firma i Sunnyvale, Californien, som Cui var med til at stifte. Men forskere og virksomheder lærer stadig om disse nanomaterialer. Det er nemt at få fingrene i et lille hætteglas med nanostruktureret silicium, men at lave 50 eller 60 tons til en rimelig pris er et stort problem, som ikke er blevet løst, siger Braun.

Cui siger, at kombinationen af ​​mikropartikler med den helbredende polymer kan være billigere og mere praktisk for højkapacitetsbatterier end tilgange, der kræver dyre nanomaterialer. De siliciummikropartikler, der bruges i den selvhelbredende batteridemonstration, kan købes fra hylden i store mængder og er ikke særlig dyre.

Nancy sottos , en materialeforsker ved University of Illinois i Urbana-Champaign, har udviklet endnu en tilgang: Sottos blander kapsler af helbredende materialer ind med batterimaterialerne. Et sådant materiale er en boble, der brister for at frigive ledende metal for at helbrede elektriske forbindelser i et beskadiget batteri. Hendes gruppe har lavet tidlige proof-of-concept demonstrationer ved hjælp af denne metode.

Yuegang Zhang , en batteriforsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory, siger, at Stanford selvhelbredende bindemiddel viser lovende for andre slags batterimaterialer med høj kapacitet, såsom tin. Zhang har taget en anden tilgang i sit eget arbejde, idet han blander tin-nanostrukturer med elastisk, stærk, ledende grafen for at holde anoderne sammen. Han bemærker det lille antal gange, Cuis siliciumbatterier kan genoplades, siger han, at silicium stadig har problemer, men jeg kan godt lide denne idé.

Nu hvor de har lavet den første demonstration, arbejder Cui og Bao på rettelser, der vil tillade deres selvhelbredende siliciumbatteri at gennemgå flere opladningscyklusser. Vi er lige begyndt, siger Cui.

skjule