211service.com
Super-oplader lithium batterier
Eksisterende lithium-batterier kan gøre det muligt for batteridrevne elektriske køretøjer at rejse hundredvis af miles på en opladning, hvilket foranlediger et kapløb blandt store bilproducenter for at demonstrere, at batterierne er sikre og holdbare nok til massemarkedsføring. Batteriudviklere fortsætter i mellemtiden med at skubbe lithiumydelsen. I sidste måned afslørede materialeforskere fra Stanford University en nanotrådselektrode, der kunne mere end tredoble lithiumbatteriers energilagringskapacitet og forbedre deres sikkerhed.
Hævelse af nanotråde: Ved opladning med lithiumioner svulmer disse siliciumnanotråde fra 89 nanometer brede (øverst) til 141 nanometer brede og forlænges (nederst); de kan rumme 10 gange flere lithiumioner end konventionelle grafitelektroder kan. Som et resultat kunne nanotrådene mere end tredoble energikapaciteten af lithiumbatterier.
Udviklingen, rapporteret i det videnskabelige tidsskrift Natur nanoteknologi , stammer fra laboratorierne hos nanowire-innovator Yi Cui og batteriekspert Robert Huggins hos Stanford's Afdelingen for materialevidenskab og teknik . Forskerne viser, at nanotråde af silicium kun få atomer på tværs kan fungere som højkapacitetselektroder, der absorberer og frigiver omkring 10 gange flere lithiumioner end de grafitelektroder, der almindeligvis bruges i dag.
Opladning af et lithiumbatteri betyder normalt at flytte lithiumioner fra batteriets positive elektrode eller katode ind i dets negative elektrode eller anode. Silicium har den rigtige elektrokemiske affinitet til lithiumioner for at gøre det til et lovende materiale til anoder. Faktisk har det indtil nu været lidt for lovende. Siliciumanoder absorberer for meget lithium. Ved opladning svulmer siliciumanoderne op til fire gange deres tidligere volumen, hvilket sprænger materialet. Efter blot et par opladningscyklusser er anoderne færdige.
Nanotråde derimod tager hævelsen i stiv arm. Stanford-samarbejdspartnernes siliciumnanotråde svulmer, når de oplades, fra 89 nanometer brede til 141 nanometer brede og forlænges samtidigt, hvorved belastningen frigøres. De viser ingen tegn på mekanisk fejl efter mere end 20 cyklusser.
Ifølge Cui fremstår siliciumnanotrådene heller ikke så modtagelige som grafit for typiske fejlmekanismer, der forårsager sikkerhedsproblemer (inklusive brande, der medførte nye regler fra det amerikanske transportministerium denne uge begrænser lithium-batterier i indchecket bagage). Potentielt vil silicium være meget sikrere end kulstof, siger Cui, som påpeger, at forbedret sikkerhed kan være nøglen til lithiums fremtidige accept i køretøjer. Det kræver kun en ulykke eller to at ødelægge en teknologi. Han siger, at test over mange flere cyklusser er undervejs for at bekræfte silicium-nanowire-anodens forbedrede holdbarhed og sikkerhed.
Ulempen er, at nanotrådvækstprocessen, som Cui bruger, som tilfører gasformigt silicium til en flydende guldkatalysator for at fremstille den faste elektrode, er en højtemperaturproces (600 til 900 °C), som kan være dyr at skalere op. Cui mener, at opskalering af damp-væske-faststof-processen ikke desto mindre er mulig, men han erkender, at han også udforsker en anden tilgang.
Ohio State University kemiker Yiying Wu , der også arbejder på nanotrådselektroder, kalder Stanford-arbejdet helt sikkert meget vigtigt. Men Wu og andre materialeforskere advarer om, at yderligere fremskridt vil være påkrævet, før lithiumbatterier med nanotrådselektroder leverer store stigninger i ydeevnen af batterier til elektriske køretøjer. Ikke mindst er behovet for at opskalere processen med at lave nanotråde, som endnu ikke er masseproduceret til kommerciel anvendelse.
En anden begrænsning er, at mens Cuis silicium nanotråde laver fantastiske anoder, har lithium-batteriteknologi større behov for forbedrede katoder. I et givet batteri har udskiftning af en anode, der lagrer flere lithiumioner, ingen effekt uden en tilsvarende katode, der kan levere mere ladning.
Både Cui og Wu (som rapporteret hans egen udvikling af lithiumanode i sidste måned med en højkapacitets cobalt-oxid nanotråd) siger, at deres laboratorier arbejder på nye materialer til katoder. Det er den hellige gral for denne forretning, siger Wu. Enhver, der kan generere meget højere katodekapacitet, vil bringe et stort gennembrud for lithiumbatteriet.