Dłuższe akumulatory do samochodów elektrycznych

W postępie, który może pomóc pojazdom elektrycznym działać dłużej między ładowaniami, naukowcy wykazali, że elektrody z nanorurek krzemowych mogą przechowywać 10 razy więcej ładunku niż konwencjonalne elektrody grafitowe stosowane w akumulatorach litowo-jonowych.

Magazyn krzemu: Ten obraz wiązki nanorurek krzemowych wykonano za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego.

Naukowcy ze Stanford University i Hanyang University w Ansan w Korei opracowują elektrody z nanorurek we współpracy z Chemia LG , koreańskiej firmy produkującej baterie litowo-jonowe, w tym stosowane w Chevy Volt . Kiedy taki akumulator jest ładowany, jony litu przemieszczają się z katody na anodę. Nowe elektrody baterii opisane w czasopiśmie online Litery nano , są anodami i mogą przechowywać znacznie więcej energii niż konwencjonalne elektrody grafitowe, ponieważ pochłaniają znacznie więcej litu podczas ładowania akumulatora.

W samochodzie hybrydowym akumulator wytrzymuje tylko 30 minut przy obecnej technologii, mówi Jaefil Cho , profesor inżynierii energetycznej w Narodowym Instytucie Nauki i Technologii Ulsan w Korei, który kierował badaniami nad anodami nanorurek. Jeśli nowa anoda krzemowa może być dopasowana do katody o porównywalnej pojemności, uzyskany akumulator powinien być w stanie uruchomić samochód przez trzy do czterech godzin bez ładowania, mówi Cho.

Anody krzemowe mają wyższą zdolność magazynowania energii niż konwencjonalny grafit, ponieważ materiał ten może przyjąć wagowo 10 razy więcej litu niż węgiel grafitowy. W rzeczywistości krzem pochłania tyle litu – zwiększając objętość nawet czterokrotnie – że może być wadą. Obciążenie mechaniczne kruchego materiału jest tak duże, że anody krzemowe mają tendencję do pękania po kilkukrotnym naładowaniu i rozładowaniu. Więc badacze, w tym Cho i materiałoznawca ze Stanforda Yi Cui , opracowali nanostrukturalny krzem zaprojektowany tak, aby lepiej znosić te naprężenia. Wyprodukowali anody z nanoprzewodów krzemowych i anody z nanoporowatego krzemu. Teraz współpracowali, aby opracować anody z nanorurek krzemowych, których pojemność jest lepsza niż w przypadku innych nanostrukturalnych materiałów krzemowych, mówi Cho.

Anoda z nanorurek krzemowych wygląda jak wiązka pustych słomek. Podczas gdy nanodruty krzemowe mogą wchodzić w interakcje z litem tylko na swojej powierzchni, nanorurki mają wewnątrz bardziej odsłoniętą powierzchnię. Nanorurka ma dużą powierzchnię – znacznie więcej miejsca na miejsca reakcji niż inne rodzaje materiałów, mówi Cho. Kształt pomaga również zmniejszyć obciążenie mechaniczne podczas ładowania i rozładowywania baterii, ponieważ krzem ma dodatkową przestrzeń na rozszerzanie się i kurczenie.

Nanorurki krzemowe powstają poprzez wielokrotne zanurzanie aluminiowego szablonu w roztworze krzemu, a następnie podgrzewanie go i wytrawianie struktury kwasem w celu usunięcia aluminium. To bardzo proste, a szablon jest dostępny komercyjnie, mówi Cho. Wraz z LG Chem Cho współpracuje z producentem szablonów, aby stworzyć szablon zgodny z produkcją na dużą skalę. Uważa, że ​​baterie zawierające elektrody z nanorurek mogą pojawić się na rynku za trzy lata.

Jest za wcześnie, aby stwierdzić, czy anody krzemowe zwiększyłyby koszt baterii litowych. Jednak nawet jeśli koszt jest wyższy, ponieważ można uzyskać dużą pojemność [z krzemem], będzie to korzyść, mówi Arumugam Manthiram , profesor inżynierii i studiów energetycznych na University of Texas w Austin.

LG Chem nie jest jedyną firmą produkującą baterie pracujące na anodach krzemowych; 3M i Sanyo również rozwijają technologię. Jednak zanim te elektrody zostaną wbudowane w akumulatory pojazdu, nadal istnieją poważne wyzwania, przestrogi Stanley Whittingham , profesor materiałoznawstwa i chemii na Uniwersytecie Stanowym Nowego Jorku w Binghamton. Jednym z problemów związanych z krzemem jest odzyskiwanie całej włożonej energii – właściwość nazywana sprawnością kulombiczną. Z biegiem czasu coraz mniej włożonej energii będzie rozładowywane z akumulatora za pomocą anody krzemowej. Cui i Cho zademonstrowali działanie swoich anod po 200 ładowaniach. Ale zanim anoda będzie mogła być użyta w pojeździe, mówi Whittingham, jej skuteczność kulombowska musi zostać udowodniona na setkach lub tysiącach ładowań, a tak długoterminowa wydajność nie została jeszcze wykazana w przypadku krzemu.

Kolejnym wyzwaniem jest to, że te wysokowydajne anody muszą być obecnie łączone z katodami o mniejszej liczbie gwiazd. Aby w pełni wykorzystać zalety anody krzemowej, potrzebna jest katoda, której pojemność magazynowania ładunku jest również 10 razy lepsza, mówi Cui. Aby dopasować je do działającego akumulatora do testów, anody krzemowe są obecnie łączone z katodami o dużej objętości, wykonanymi z konwencjonalnych materiałów. Cui i Cho opracowują również nowe materiały katodowe we współpracy z LG Chem.

ukryć