211service.com
Super ładujące się baterie litowe
Istniejące akumulatory litowe mogą umożliwić pojazdom elektrycznym zasilanym z akumulatorów pokonywanie setek mil na jednym ładowaniu, co skłania do wyścigu wśród głównych producentów samochodów, aby wykazać, że akumulatory są wystarczająco bezpieczne i trwałe, aby można je było wprowadzić do masowego marketingu. W międzyczasie twórcy baterii nadal zwiększają wydajność litu. W zeszłym miesiącu naukowcy zajmujący się materiałami z Uniwersytetu Stanforda zaprezentowali elektrodę z nanodrutu, która może ponad trzykrotnie zwiększyć pojemność baterii litowych i poprawić ich bezpieczeństwo.
Pęczniejące nanodruty: Po naładowaniu jonami litu te krzemowe nanodruty pęcznieją z 89 nanometrów szerokości (góra) do 141 nanometrów szerokości i wydłużają się (dół); mogą pomieścić 10 razy więcej jonów litu niż konwencjonalne elektrody grafitowe. W rezultacie nanoprzewody mogą ponad trzykrotnie zwiększyć pojemność energetyczną baterii litowych.
Rozwój, zgłoszony w czasopiśmie naukowym Natura Nanotechnologia , pochodzi z laboratoriów Yi Cui, innowatora nanoprzewodów i eksperta od baterii Roberta Hugginsa w Stanford’s Wydział Inżynierii Materiałowej . Naukowcy pokazują, że nanodruty krzemu o średnicy zaledwie kilku atomów mogą działać jako elektrody o dużej pojemności, absorbując i uwalniając około 10 razy więcej jonów litu niż powszechnie stosowane obecnie elektrody grafitowe.
Ładowanie baterii litowej zwykle oznacza przeniesienie jonów litu z elektrody dodatniej lub katody baterii do jej elektrody ujemnej lub anody. Krzem ma odpowiednie powinowactwo elektrochemiczne do jonów litu, co czyni go obiecującym materiałem na anody. W rzeczywistości do tej pory było to trochę zbyt obiecujące. Anody krzemowe pochłaniają zbyt dużo litu. Po naładowaniu anody krzemowe pęcznieją czterokrotnie w stosunku do poprzedniej objętości, powodując pękanie materiału. Już po kilku cyklach ładowania anody są gotowe.
Z kolei nanodruty radzą sobie z obrzękiem bez trudu. Nanodruty krzemowe współpracowników ze Stanford pęcznieją po naładowaniu z szerokości 89 nanometrów do szerokości 141 nanometrów i jednocześnie wydłużają się, uwalniając w ten sposób obciążenie. Po ponad 20 cyklach nie wykazują żadnych oznak uszkodzeń mechanicznych.
Według Cui, nanodruty krzemowe nie wydają się tak samo podatne jak grafit na typowe mechanizmy awarii, które powodują problemy z bezpieczeństwem (w tym pożary, które spowodowały nowe zasady Departamentu Transportu Stanów Zjednoczonych w tym tygodniu ograniczenie baterii litowych w bagażu rejestrowanym). Potencjalnie krzem będzie znacznie bezpieczniejszy niż węgiel, mówi Cui, który wskazuje, że poprawa bezpieczeństwa może być kluczem do przyszłej akceptacji litu w pojazdach. Wystarczy jeden lub dwa wypadki, by zniszczyć technologię. Mówi, że trwają testy w wielu kolejnych cyklach, aby potwierdzić zwiększoną trwałość i bezpieczeństwo anody krzemowo-nanodrutowej.
Minusem jest to, że proces wzrostu nanodrutów, który wykorzystuje Cui, który dostarcza gazowy krzem do ciekłego katalizatora ze złota w celu wytworzenia stałej elektrody, jest procesem wysokotemperaturowym (od 600 do 900°C), którego skalowanie może być kosztowne. Cui uważa, że zwiększenie skali procesu para-ciecz-ciało stałe jest jednak wykonalne, ale przyznaje, że bada także inne podejście.
Chemik z Uniwersytetu Stanowego Ohio Yiy Wu , który pracuje również nad elektrodami nanodrutowymi, nazywa pracę Stanforda zdecydowanie bardzo ważną. Jednak Wu i inni naukowcy zajmujący się materiałami ostrzegają, że konieczne będą dodatkowe postępy, zanim baterie litowe z elektrodami z nanoprzewodów zapewnią znaczny wzrost wydajności akumulatorów pojazdów elektrycznych. Nie mniej ważna jest potrzeba zwiększenia skali procesu wytwarzania nanoprzewodów, które nie zostały jeszcze wyprodukowane masowo do zastosowań komercyjnych.
Innym ograniczeniem jest to, że podczas gdy krzemowe nanodruty Cui tworzą świetne anody, technologia baterii litowych ma większe zapotrzebowanie na ulepszone katody. W danym akumulatorze zastąpienie anody, która przechowuje więcej jonów litu, nie ma żadnego wpływu bez odpowiedniej katody, która może dostarczyć więcej ładunku.
Zarówno Cui, jak i Wu (którzy zgłoszone jego własne opracowanie anody litowej w zeszłym miesiącu z nanoprzewodem z tlenku kobaltu o dużej pojemności) mówi, że ich laboratoria pracują nad nowatorskimi materiałami do katod. To święty Graal dla tego biznesu, mówi Wu. Każdy, kto potrafi generować znacznie większą pojemność katody, dokona ogromnego przełomu dla baterii litowej.