211service.com
Zvýšení výdrže a kapacity baterie
Nový chemický trik pro výrobu nanostrukturních materiálů by mohl pomoci zvýšit dojezd a spolehlivost elektromobilů a vést k lepším bateriím, které by mohly pomoci stabilizovat elektrickou síť.
Dodání energie: Když se fosforečnan lithný a manganu pěstuje pomocí nového procesu, tvoří mikroskopické destičky (zde zobrazeno). Tyto desky vedou jak elektrony, tak ionty lithia a přeměňují je v užitečný materiál pro ukládání elektřiny.
Výzkumníci na Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) v Richlandu, WA, vyvinuli techniku, která může proměnit potenciální elektrodový materiál, který nemůže normálně uchovávat elektřinu, na materiál, který uchovává více energie než podobné materiály baterií, které jsou již na trhu.
V práci publikované v časopise Nano dopisy Výzkumníci PNNL ukazují, že parafín a kyselina olejová podporují růst deskovitých nanostruktur fosforečnanu lithného a manganu. Tyto nanoplátky jsou malé a tenké, což umožňuje elektronům a iontům (atomům nebo molekulám s kladným nebo záporným nábojem) snadno se do nich a ven z nich pohybovat. Tím se materiál – který kvůli své velmi špatné vodivosti obvykle nefunguje jako materiál baterie – ukládá velké množství elektřiny.
Když vědci měřili výkon materiálu, zjistili, že dokáže uložit o 10 procent více energie, než je teoretická maximální energetická kapacita srovnatelného komerčního elektrodového materiálu – fosforečnanu lithného a železa, který se používá v elektrickém nářadí a některých hybridních a elektrických vozidlech. .
Tento přístup by mohl otevřít dveře k použití široké škály kandidátských materiálů pro baterie, které jsou nyní omezeny svou schopností vést elektřinu a lithiové ionty. Výzkum v této oblasti dosáhl bodu, kdy většina materiálů baterií, které zbyly ke studiu, má špatnou vodivost, říká Daiwon Choi, výzkumník energetických materiálů z PNNL. Nová metoda poskytuje jednoduchý způsob, jak zvýšit jejich vodivost. Říká, že metoda by mohla být také kompatibilní s konvenčními technikami výroby baterií.
Jak fosforečnan lithný a železnatý, tak fosforečnan lithno-manganový jsou na elektrodách baterií atraktivní, protože mají stabilní atomovou strukturu. Tato krystalická struktura – nazývaná olivín – je mnohem stabilnější než krystalická struktura materiálů elektrod používaných v bateriích notebooků a mobilních telefonů. V důsledku toho mohou olivinové materiály vydržet mnohem déle než tři roky, které obvykle vydrží materiály baterií mobilních telefonů. Někteří výrobci tvrdí, že lithium-železofosfátové baterie by mohly vydržet více než 30 000 cyklů úplného nabití a vybití, aniž by ztratily velkou část své kapacity pro ukládání energie – dost na to, aby baterie vydržela 50 let, říká Choi.
Teoreticky by fosforečnan lithný a manganu mohl vydržet podobný počet cyklů, protože má podobnou krystalickou strukturu. Má však další výhodu v tom, že je potenciálně schopen uložit o 20 procent více energie než fosforečnan lithný a železnatý, protože pracuje při vyšším napětí. Bylo však obzvláště obtížné upravit fosforečnan lithný a mangan, aby se překonala skutečnost, že jde o elektrický izolátor.
Předchozí pokusy vyžadovaly zpracování prekurzorových materiálů v kapalném roztoku před vytvořením pevných materiálů pro baterie – proces, který je pro komerční výrobu příliš drahý. Nová metoda vyvinutá v PNNL eliminuje tento samostatný krok zpracování kapaliny, zjednodušuje proces a činí jej kompatibilním se stávajícími výrobními technikami.
K přípravě materiálu vědci smíchají chemické prekurzory s parafínovým voskem a kyselinou olejovou. Vosk a kyselina spolupracují a způsobují, že prekurzorové materiály vytvářejí krystaly dobře kontrolované velikosti a tvaru, aniž by se shlukovaly. Vosk zkapalňuje při vysokých teplotách používaných ke zpracování materiálu a působí jako rozpouštědlo, které nahrazuje samostatný krok zpracování kapaliny používaný v dřívějších výzkumech.
Dosud lze materiál nabíjet pouze za nízké ceny (ačkoli dodává energii dostatečně rychle pro mnoho aplikací). Choi říká, že jedním z dalších kroků je vyvinout lepší proces potahování nanodestiček uhlíkem, což by mělo zlepšit vodivost.
Přestože je fosforečnan lithný a manganu atraktivní, protože ukládá více energie než fosforečnan lithný a železnatý, oba zabírají relativně velký objem ve srovnání s jinými typy elektrod pro lithium-iontové baterie. Jeff Dahn, profesor fyziky a chemie na Dalhousie University, říká, že by je to nakonec mohlo učinit atraktivnějšími pro stacionární aplikace – jako je ukládání energie do elektrické sítě, které pomáhá vyrovnat variabilitu z obnovitelných zdrojů – než pro elektrická vozidla.