211service.com
Lithium-ion-batterier med højere kapacitet
Forskere i Frankrig har skabt lithium-ion batterielektroder med flere gange energikapaciteten, efter vægt og volumen, af konventionelle elektroder. De nye elektroder kan hjælpe med at formindske størrelsen på batterier til mobiltelefoner og bærbare computere, eller også forlænge den tid, en enhed kan køre på en opladning. Hvad mere er, kan de nanoteknologiske metoder, der bruges til at fremstille disse elektroder, give en enkel og billig måde at strukturere nye materialer til næste generations batterier til plug-in hybrid og al-elektriske køretøjer.
En skov af kobberstænger omkring 100 nanometer i diameter skaber meget mere overfladeareal til batterielektroder med høj kapacitet.
Det vigtigste fremskridt er udviklingen af en billig og enkel måde at organisere små partikler i en ønsket nanostruktur, siger Patrice Simon, en kemiprofessor ved Université Paul Sabatier, som deltog i arbejdet sammen med andre forskere ved universitetet og Université Picardie Jules Verne.
I en konventionel batterielektrode vil ioner og elektroner bevæge sig hurtigt ind og ud af det aktive materiale - hvilket tillader hurtig op- og afladning - kun hvis materialet er aflejret i en meget tynd film. Tynde film begrænser dog mængden af aktivt materiale, der kan inkorporeres i et batteri. For batterier med høj kapacitet øger ingeniører typisk tykkelsen af det aktive materiale, og byder på hurtig opladning og højeffektudbrud for mere energilagring.
Denne nye nanostruktur giver mulighed for både høj effekt og høj lagerkapacitet. Aktive materialer påføres i en meget tynd film på kobber nanorods forankret til plader af kobberfolie. Denne tynde film giver mulighed for hurtig bevægelse af ioner og elektroner - giver kraften. Samtidig gør det høje overfladeareal af skoven af nanorods det muligt at pakke meget mere aktivt materiale ind i en elektrode, end tynde film typisk tillader, og dermed øge energikapaciteten. Stængerne giver 50 kvadratcentimeter overfladeareal for hver kvadratcentimeter elektrode.
Derudover gør den høje ion- og elektronmobilitet i det tynde lag det muligt at anvende et nyt aktivt materiale og en ny kemisk reaktion til lithium-ion-batterier. Denne nye kemi er attraktiv, fordi den kan rumme langt flere lithiumioner og deres elektronmodstykker end den kemi, der bruges nu, og derved potentielt lagre mere energi.
De nye elektroder, som ville blive brugt som de negative elektroder i lithium-ion-batterier, viste også evnen til at bevare deres høje kapacitet efter at være blevet op- og afladet mange gange, hvilket tyder på, at elektroderne kan have en lang brugbar levetid, siger Simon, selvom mere omfattende test er nødvendige for at bekræfte denne antagelse.
Fordi dette fremskridt, beskrevet online i denne uge i Naturmaterialer , gælder indtil videre for negative elektroder, vil den procentvise stigning i kapacitet i forhold til nutidens batterier også afhænge af kapaciteten af den positive elektrode. (Se Batterigennembrud for en beskrivelse af en mulig positiv elektrodekandidat, citeret af forskerne.) De første anvendelser af teknologien vil sandsynligvis være ekstremt små batterier, siger Simon. Disse kan være nyttige til fjernsensorer eller medicinske implantater. Yderligere anvendelser vil kræve at øge størrelsen af de elektroder, som forskerne kan lave, og også at optimere det aktive materiale, de bruger.
Materialerne, der bruges i rapporterede eksperimenter, er ikke energieffektive - omkring 20-25 procent af den energi, der bruges til at oplade dem, kan ikke genvindes, mens de aflades. Dette energitab er ikke et stort problem med mobiltelefonbatterier, siger Gerbrand Ceder, professor i materialevidenskab og ingeniør ved MIT. I løbet af livet bruger du sikkert et par øre på at oplade mobiltelefonen, siger han. Men for større energianvendelser, såsom elektriske køretøjer, kan denne mangel på effektivitet være dyr, især med høje elpriser. Af denne grund inkorporerer forskerne forskellige aktive materialer med høj kapacitet i deres nanostrukturerede elektroder, som ikke har dette energieffektivitetsproblem.
Med hensyn til nanoteknologi for at forbedre batterier er de franske forskere ikke unikke. Mindst to virksomheder, A123 Systems, i Watertown, MA, og Altair Nano, i Reno, NV, har lavet batterier, der inkluderer elektroder med nanostrukturerede aktive materialer; og adskillige forskningsgrupper rundt om i verden er ved at udvikle sådanne elektroder. Simon beskriver sin gruppes proces som værende enklere og billigere end mange andre metoder til at lave nanostrukturer. Den er også alsidig og kan bruges sammen med en række aktive materialer, siger han.
Det kan også være vigtigt for en anden nøgletrend inden for batteriforskning: Bevægelsen væk fra flade lag af elektrodematerialer til positive og negative elektroder, der trænger ind i hinanden – en tredimensionel arkitektur, der kan forbedre mobiliteten af ioner og elektroder og derved øge batterikraften. Den franske gruppe arbejder nu også på et tredimensionelt batteri, siger Simon, der vil kombinere deres negative elektroder med en højtydende positiv elektrode.