211service.com
Lithium-iontové baterie s vyšší kapacitou
Vědci ve Francii vytvořili elektrody lithium-iontových baterií s několikanásobnou energetickou kapacitou, pokud jde o hmotnost a objem, než konvenční elektrody. Nové elektrody by mohly pomoci zmenšit velikost baterií mobilních telefonů a notebooků nebo prodloužit dobu, po kterou by zařízení mohlo běžet nabité. A co víc, nanotechnologické metody používané k výrobě těchto elektrod by mohly poskytnout jednoduchý a levný způsob, jak strukturovat nové materiály pro baterie nové generace pro plug-in hybridní a plně elektrická vozidla.
Les měděných tyčí o průměru asi 100 nanometrů vytváří mnohem větší plochu pro elektrody vysokokapacitních baterií.
Klíčovým pokrokem je vývoj levného a jednoduchého způsobu, jak uspořádat drobné částice do požadované nanostruktury, říká Patrice Simon, profesor chemie na Université Paul Sabatier, který se na práci podílel spolu s dalšími výzkumníky z univerzity a Université Picardie Jules. Verne.
V konvenční elektrodě baterie se ionty a elektrony rychle pohybují do az aktivního materiálu – což umožňuje rychlé nabíjení a vybíjení – pouze pokud je materiál uložen ve velmi tenkém filmu. Tenké filmy však omezují množství aktivního materiálu, který lze zabudovat do baterie. U vysokokapacitních baterií inženýři obvykle zvětšují tloušťku aktivního materiálu a nahrazují rychlým nabíjením a vysokovýkonnými dávkami více energie.
Tato nová nanostruktura umožňuje jak vysoký výkon, tak vysokou úložnou kapacitu. Aktivní materiály jsou nanášeny ve velmi tenké vrstvě na měděné nanorytě ukotvené na plátcích měděné fólie. Tento tenký film umožňuje rychlý pohyb iontů a elektronů – poskytuje energii. Velký povrch lesa nanorůtek zároveň umožňuje zabalit do elektrody mnohem více aktivního materiálu, než obvykle umožňují tenké filmy, čímž se zvyšuje energetická kapacita. Tyče poskytují 50 centimetrů čtverečních plochy povrchu na každý centimetr čtvereční elektrody.
Vysoká pohyblivost iontů a elektronů tenké vrstvy navíc umožňuje použití nového aktivního materiálu a nové chemické reakce pro lithium-iontové baterie. Tato nová chemie je atraktivní, protože dokáže pojmout mnohem více iontů lithia a jejich elektronových protějšků než chemie používaná nyní, a tím potenciálně ukládat více energie.
Nové elektrody, které by se používaly jako záporné elektrody v lithium-iontových bateriích, také ukázaly schopnost zachovat si svou vysokou kapacitu po mnohanásobném nabití a vybití, což naznačuje, že elektrody mohou mít dlouhou životnost, říká Simon, i když k potvrzení této domněnky jsou zapotřebí rozsáhlejší testy.
Protože tato záloha, popsaná online tento týden v Přírodní materiály , platí zatím pro záporné elektrody, procentuální nárůst kapacity oproti dnešním bateriím bude záviset také na kapacitě kladné elektrody. (Popis jednoho možného kandidáta na kladnou elektrodu citovaného výzkumníky viz Battery Breakthrough.) První aplikace této technologie budou pravděpodobně extrémně malé baterie, říká Simon. Ty by mohly být užitečné pro vzdálené senzory nebo lékařské implantáty. Další aplikace budou vyžadovat zvětšení velikosti elektrod, které mohou výzkumníci vyrobit, a také optimalizaci aktivního materiálu, který používají.
Materiály použité v uvedených experimentech nejsou energeticky účinné – asi 20–25 procent energie použité k jejich nabití nelze získat zpět při jejich vybíjení. Tato ztráta energie není u baterií mobilních telefonů velkým problémem, říká Gerbrand Ceder, profesor materiálové vědy a inženýrství na MIT. Během života pravděpodobně utratíte pár haléřů za nabíjení mobilního telefonu, říká. Ale u větších energetických aplikací, jako jsou elektrická vozidla, by tento nedostatek účinnosti mohl být nákladný, zejména s vysokými cenami elektřiny. Z tohoto důvodu výzkumníci začleňují různé vysokokapacitní aktivní materiály do svých nanostrukturovaných elektrod, které nemají tento problém s energetickou účinností.
Francouzští vědci nejsou jedineční, pokud jde o nanotechnologii pro zlepšení baterií. Nejméně dvě společnosti, A123 Systems, Watertown, MA a Altair Nano, Reno, NV, vyrobily baterie, které obsahují elektrody s nanostrukturovanými aktivními materiály; a četné výzkumné skupiny po celém světě takové elektrody vyvíjejí. Simon popisuje proces své skupiny jako jednodušší a levnější než mnoho jiných metod výroby nanostruktur. Je také univerzální, lze jej použít s různými aktivními materiály, říká.
Mohlo by to být také důležité pro další klíčový trend ve výzkumu baterií: odklon od plochých vrstev materiálů elektrod k pozitivním a negativním elektrodám, které se vzájemně prolínají – trojrozměrná architektura, která může zlepšit mobilitu iontů a elektrod, a tím zvýšit výkon baterie. Francouzská skupina nyní také pracuje na trojrozměrné baterii, říká Simon, která bude kombinovat jejich záporné elektrody s vysoce výkonnou kladnou elektrodou.