211service.com
Et boost for batterilevetid og kapacitet
Et nyt kemisk trick til fremstilling af nanostrukturerede materialer kan hjælpe med at øge rækkevidden og pålideligheden af elbiler og føre til bedre batterier, der kan hjælpe med at stabilisere elnettet.
Servering af energi: Når lithium-manganphosphat dyrkes ved hjælp af en ny proces, danner det mikroskopiske plader (vist her). Disse plader leder både elektroner og lithiumioner, hvilket gør det til et nyttigt materiale til lagring af elektricitet.
Forskere ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) i Richland, WA, har udviklet teknikken, som kan forvandle et potentielt elektrodemateriale, der normalt ikke kan lagre elektricitet, til et, der lagrer mere energi end lignende batterimaterialer, der allerede er på markedet.
I arbejde offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver PNNL-forskerne viser, at paraffinvoks og oliesyre fremmer væksten af pladelignende nanostrukturer af lithium-manganphosphat. Disse nanoplader er små og tynde, hvilket gør det muligt for elektroner og ioner (atomer eller molekyler med en positiv eller negativ ladning) nemt at bevæge sig ind og ud af dem. Dette gør materialet - som normalt ikke fungerer som et batterimateriale på grund af dets meget dårlige ledningsevne - til et materiale, der lagrer store mængder elektricitet.
Da forskerne målte materialets ydeevne, opdagede de, at det kunne lagre 10 procent mere energi end den teoretiske maksimale energikapacitet for et sammenligneligt kommercielt elektrodemateriale - lithium-jernfosfat, som bruges i elværktøj og nogle hybrid- og elektriske køretøjer .
Tilgangen kunne åbne døren til at bruge en bred vifte af kandidatbatterimaterialer, der nu er begrænset af deres evne til at lede elektricitet og lithiumioner. Forskning i området har nået det punkt, hvor de fleste af de batterimaterialer, der er tilbage til at blive undersøgt, har dårlig ledningsevne, siger Daiwon Choi, en energimaterialeforsker ved PNNL. Den nye metode giver en enkel måde at øge deres ledningsevne på. Han siger, at metoden også kunne være kompatibel med konventionelle batterifremstillingsteknikker.
Både lithium-jernfosfat og lithium-manganfosfat er attraktive ved batterielektroder, fordi de har en stabil atomstruktur. Denne krystallinske struktur - kaldet olivin - er langt mere stabil end krystalstrukturen af elektrodematerialer, der bruges i laptop- og mobiltelefonbatterier. Som et resultat kan olivinmaterialer holde meget længere end de tre år, som mobiltelefonbatterimaterialer typisk holder. Nogle producenter hævder, at lithium-jernfosfat-batterier kan holde i over 30.000 komplette opladnings- og afladningscyklusser uden at miste meget af deres kapacitet til at lagre energi - nok til, at batteriet holder 50 år, siger Choi.
I teorien kunne lithium-manganphosphat holde i et lignende antal cyklusser, fordi det har en lignende krystallinsk struktur. Men det har den ekstra fordel, at det potentielt er i stand til at lagre 20 procent mere energi end lithium-jernfosfat, da det fungerer ved en højere spænding. Det har dog været særligt svært at modificere lithium-manganphosphat for at overvinde det faktum, at det er en elektrisk isolator.
Tidligere forsøg har krævet bearbejdning af forløbermaterialer i en flydende opløsning, før der skabes solide batterimaterialer - en proces, der er for dyr til kommerciel produktion. Den nye metode, der er udviklet hos PNNL, eliminerer dette separate væskebehandlingstrin, forenkler processen og gør den kompatibel med eksisterende fremstillingsteknikker.
For at forberede materialet blander forskerne kemiske prækursorer med paraffinvoks og oliesyre. Voksen og syren arbejder sammen for at få forløbermaterialerne til at danne krystaller af en velkontrolleret størrelse og form uden at klumpe sammen. Voksen bliver flydende ved de høje temperaturer, der bruges til at behandle materialet og fungerer som et opløsningsmiddel, der erstatter det separate væskebehandlingstrin, der er brugt i tidligere forskning.
Indtil videre kan materialet kun oplades ved lave hastigheder (selvom det leverer strøm hurtigt nok til mange applikationer). Choi siger, at et af de næste trin er at udvikle en bedre proces til at belægge nanopladerne med kulstof, hvilket skulle forbedre ledningsevnen.
Selvom lithium-manganfosfat er attraktivt, fordi det lagrer mere energi end lithium-jernfosfat, fylder begge en relativt stor mængde i forhold til andre typer elektroder til lithium-ion-batterier. Jeff Dahn, professor i fysik og kemi ved Dalhousie University, siger, at dette i sidste ende kan gøre dem mere attraktive til stationære applikationer - såsom at lagre strøm på elnettet for at hjælpe med at udjævne variabilitet fra vedvarende kilder - end for elektriske køretøjer.