211service.com
Nanowire Advance til lithiumbatterier
Lithium-ion er blevet det foretrukne batteri for elektriske køretøjer, hvilket får forskere til at forbedre teknologiens ydeevne, levetid og pålidelighed. En ny type nanotrådselektrode udviklet af professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab Yi Cui hos Stanford er et skridt mod det mål.
Nanowire Boost: Carbon nanotråde belagt med silicium (bund) producerer et materiale, der kan lagre seks gange så meget ladning som den grafit, der bruges i nutidens lithiumbatterielektroder. (Nøgne carbon nanotråde vist øverst.)
De nye elektroder, diskuteret i sidste uges Nano bogstaver , kan lagre seks gange så meget ladning som grafitelektroderne i nuværende lithium-batterier – det betyder elbiler, der giver flere kilometer pr. opladningssession.
Når et lithiumbatteri oplades, bevæger lithiumioner sig fra den positive elektrode (katode) til den negative anode. Silicium er et lovende materiale til anoder, fordi det kan lagre over 10 gange så mange ioner som grafit med samme vægt. Men når silicium absorberer ladning, svulmer det op til fire gange dets oprindelige volumen og revner efter et par opladningscyklusser.
De nye nanotråde udnytter siliciums og grafits egenskaber. Cui og hans kolleger fremstiller materialet ved at afsætte amorft silicium på kulstof nanotråde. Ledningerne kan lagre en ladning på omkring 2.000 milliampere timer per gram, mens grafitanoder lagrer mindre end 360 milliampere timer per gram. I mellemtiden gør kulstofkernen dem robuste. Lithiumioner kan også blive absorberet i kulstof, siger Cui, men volumenudvidelsen af kulstof er 10 procent eller mindre, så det giver en stabil rygrad. I test klarede nanotrådene sig godt i mere end 50 opladningscyklusser.
Forskerne havde tidligere lavet elektroder af ren krystallinsk silicium nanotråd. Disse havde tredobbelt lagerkapaciteten af grafitelektroder, men holdt kun gennem 20 cyklusser.
Kulstof-silicium nanotrådene er også nemmere at lave. De kræver ikke de høje temperaturer, der er nødvendige for at dyrke de silicium-kun nanotråde. Carbon nanofiber er allerede kommercielt tilgængelig, og du kan producere tonsvis, siger Cui. Belægningsprocessen kunne gøres meget hurtigere og er nem til fremstilling i stor skala.
Til brug i kommercielle elektriske køretøjer skal lithiumbatterielektroder holde gennem mindst 300 opladningscyklusser. I denne henseende kan nanotrådene møde hård konkurrence. I december 2008 afslørede et team fra Hanyang University i Ansan, Sydkorea, nanoporøse siliciumanoder, der holdt i mere end 100 opladningscyklusser og kunne opbevare mere ladning end nanotrådene. Kemiker Jaephil Cho , der ledede arbejdet, siger, at det nanoporøse materiale har mere silicium-per-enhed volumen end nanotråde, så det kan holde mere ladning per enhed volumen. Han siger dog, at kulfiber [fremstilling] er let at skalere op, og derfor menes [Cui's] metode til fremstilling af kulstof-silicium nanotråde at være meget praktisk.
General Motors og Applied Sciences udvikler i mellemtiden nanotrådsanoder, der minder meget om Stanford-teamets. Virksomhederne belægger kulstofnanofibre med siliciumpartikler i modsætning til amorft silicium, hvilket resulterer i anoder, der kan lagre ladninger på 1.000 til 1.500 milliampere timer pr. gram. Gholam-Abbas Nazri, der leder arbejdet på GM Research and Development Center i Warren, MI, siger, at anodekapaciteten kan øges ved at gøre siliciumlaget tykkere, men lige nu er det bedst at stabilisere kapaciteten på 1.000 milliampere timer. gram. Anoder, der lagrer mere ladning, har brug for katoder, der kan levere højere ladning, siger Nazri, og i øjeblikket er der ingen katode [materiale] med tilstrækkelig kapacitet til at matche carbon-silicium anode.
Cui er overbevist om siliciums succes som anodemateriale til lithiumbatterier. I de næste fem år eller mindre vil vi se et batteri med siliciumanoder, siger han. Prisen vil dog være den afgørende faktor. I sidste ende, siger han, afhænger det hele af, hvem der kan komme med en lavpris, storskala fremstillingsproces, producere den bedste ydeevne og udsende produkter.