211service.com
Længere kørende elbilbatterier
I et fremskridt, der kunne hjælpe elektriske køretøjer med at køre længere mellem opladninger, har forskere vist, at siliciumnanorørelektroder kan lagre 10 gange mere ladning end de konventionelle grafitelektroder, der bruges i lithium-ion-batterier.
Opbevaring af silicium: Dette billede af et bundt af silicium nanorør blev lavet ved hjælp af et scanning-elektronmikroskop.
Forskere ved Stanford University og Hanyang University i Ansan, Korea, udvikler nanorørelektroderne i samarbejde med Lg chem , et koreansk firma, der fremstiller lithium-ion-batterier, inklusive dem, der bruges i Chevy Volt . Når et sådant batteri oplades, bevæger lithium-ioner sig fra katoden til anoden. De nye batterielektroder, beskrevet online i journalen Nano bogstaver , er anoder og kan lagre meget mere energi end konventionelle grafitelektroder, fordi de absorberer meget mere lithium, når batteriet oplades.
I en hybridbil holder batteriet kun 30 minutter ved hjælp af den nuværende teknologi, siger Jaephil Cho , professor i energiteknik ved Ulsan National Institute of Science and Technology i Korea, der ledede forskningen i nanorørs anoder. Hvis den nye siliciumanode kan matches til en katode med sammenlignelig lagerkapacitet, burde det resulterende batteri kunne køre en bil i tre til fire timer uden genopladning, siger Cho.
Siliciumanoder har en højere energilagringskapacitet end konventionel grafit, fordi materialet kan optage 10 gange mere lithium efter vægt end grafitkulstof. Faktisk optager silicium så meget lithium – og stiger i volumen med så mange som fire gange – at det kan være en ulempe. Den mekaniske belastning af det sprøde materiale er så stor, at siliciumanoder har tendens til at revne, efter at de kun er opladet og afladet et par gange. Så forskere, herunder Cho og Stanford materialeforsker Yi Cui , har udviklet nanostruktureret silicium designet til bedre at modstå disse belastninger. De har lavet silicium nanotrådanoder og nanoporøse siliciumanoder. Nu har de samarbejdet om at udvikle silicium nanorør-anoder, hvis lagerkapacitet er bedre end andre nanostrukturerede siliciummaterialer, siger Cho.
Silicium nanorør-anoden ligner en flok hule sugerør. Mens silicium nanotråde kun kan interagere med lithium på deres overflade, har nanorørene mere udsat overfladeareal indeni. Nanorøret har et stort overfladeareal - meget mere plads til reaktionssteder end andre typer materialer, siger Cho. Formen hjælper også med at lindre mekanisk belastning, når batteriet oplades og aflades, fordi der er ekstra plads til, at silicium kan udvide sig og trække sig sammen.
Siliciumnanorørene laves ved gentagne gange at nedsænke en aluminiumsskabelon i en siliciumopløsning, og derefter opvarme den og ætse strukturen i syre for at fjerne aluminiumet. Det er meget enkelt, og skabelonen er kommercielt tilgængelig, siger Cho. Sammen med LG Chem arbejder Cho sammen med skabelonproducenten for at gøre en skabelon kompatibel med produktion i stor skala. Han mener, at batterier med nanorørselektroder kan være på markedet om tre år.
Det er for tidligt at afgøre, om siliciumanoder vil øge prisen på lithiumbatterier. Men selvom omkostningerne er højere, fordi man kan få høj kapacitet [med silicium], vil der være en fordel, siger Arumugam Manthiram , professor i ingeniør- og energistudier ved University of Texas i Austin.
LG Chem er ikke det eneste batterifirma, der arbejder på siliciumanoder; 3M og Sanyo udvikler også teknologien. Der er dog stadig store udfordringer, før disse elektroder bliver indbygget i køretøjets batteripakker, advarer Stanley Whittingham , professor i materialevidenskab og kemi ved State University of New York i Binghamton. Et af problemerne med silicium er at få al den energi tilbage, du har lagt i – en egenskab kaldet coulombisk effektivitet. Med tiden vil mindre og mindre af den energi, der er blevet lagt i, aflades fra et batteri ved hjælp af en siliciumanode. Cui og Cho har demonstreret deres anoders ydeevne efter 200 opladninger. Men før en anode kan bruges i et køretøj, siger Whittingham, skal dens coulombiske effektivitet bevises over hundreder eller tusinder af ladninger, og en sådan langsigtet ydeevne er endnu ikke blevet vist med silicium.
En anden udfordring er, at disse højtydende anoder i øjeblikket skal parres med mindre stjernekatoder. For fuldt ud at realisere fordelen ved en siliciumanode har du brug for en katode, hvis ladningskapacitet også er 10 gange bedre, siger Cui. For at matche dem i et fungerende batteri til testning, er siliciumanoder i øjeblikket parret med katoder med stort volumen lavet af konventionelle materialer. Cui og Cho udvikler også nye katodematerialer i samarbejde med LG Chem.