211service.com
Trwalsze baterie do laptopów
Konwencjonalne baterie litowo-jonowe w laptopach i telefonach komórkowych szybko tracą zdolność magazynowania energii i mogą się zapalić, jeśli są przeładowane lub uszkodzone. Teraz badacze w Narodowe Laboratorium Argonne w Argonne w stanie Illinois opracowali kompozytowe materiały akumulatorowe, które mogą sprawić, że takie akumulatory będą zarówno bezpieczniejsze, jak i trwalsze, jednocześnie zwiększając ich zdolność do magazynowania energii o 30 procent.
Potężne cząsteczki: Nowe materiały elektrod litowo-jonowych, pokazane tutaj pod mikroskopem elektronowym, mogą przechowywać więcej energii, a więc są bezpieczniejsze niż konwencjonalne baterie litowo-jonowe w laptopach i telefonach komórkowych.
W zeszłym miesiącu naukowcy zrobili znaczący krok w kierunku komercjalizacji technologii, licencjonując ją dużej firmie dostarczającej materiały, Toda Kogyo, z siedzibą w Japonii. Firma jest w stanie wyprodukować materiały na około 30 milionów baterii do laptopów rocznie, mówi Gary Henriksen, który zarządza badaniami nad przechowywaniem elektrochemicznym w Argonne.
Nowe materiały są jednym z przykładów nowej generacji chemii elektrod litowo-jonowych, która rozwiązuje wady konwencjonalnych akumulatorów litowo-jonowych. Każdy ma swoje własne kompromisy. Na przykład inny materiał zwany fosforanem litowo-żelazowym ma lepsze bezpieczeństwo i trwałość niż materiały Argonne, ale przechowuje nieco mniej energii niż konwencjonalne akumulatory litowo-jonowe. Materiały Argonne poprawiają bezpieczeństwo i niezawodność dzisiejszych baterii do laptopów, jednocześnie magazynując więcej energii.
Naukowcy z Argonne poprawili wydajność elektrod dodatnich poprzez zwiększenie stabilności chemicznej i strukturalnej materiałów już stosowanych w bateriach do laptopów. W konwencjonalnych akumulatorach litowo-jonowych, które mają elektrody z tlenku kobaltu, niewielkie przegrzanie spowodowane przeładowaniem materiału lub zwarciem elektrycznym wewnątrz akumulatora może prowadzić do gwałtownego wzrostu temperatury wewnątrz ogniwa, a w niektórych przypadkach do spalania. Dzieje się tak, ponieważ gdy materiał się przegrzewa, tlenek kobaltu łatwo oddaje tlen, który reaguje z rozpuszczalnikiem w elektrolicie akumulatora i generuje więcej ciepła, zasilając reakcje. Naukowcy z Argonne zajęli się tym problemem, zastępując część tlenku kobaltu tlenkiem manganu, który jest chemicznie bardziej stabilny.
Kolejnym krokiem naukowców było zastąpienie niektórych aktywnych tlenków metali w elektrodzie pokrewnym, ale elektrochemicznie nieaktywnym materiałem, tworząc kompozyt. Materiał ten nie magazynuje energii, ponieważ nie uwalnia i nie pochłania jonów litu podczas ładowania i rozładowywania akumulatora. (Akumulatory litowo-jonowe wytwarzają prąd elektryczny, gdy jony litu przemieszczają się między elektrodami dodatnimi i ujemnymi). Nieaktywny materiał sprawia, że kompozyt jest bardziej stabilny niż konwencjonalne materiały elektrod, co oznacza, że może trwać dłużej. Jedna wersja materiału może wytrzymać 1500 ładowań i rozładowań bez utraty dużej pojemności, mówi. To ponad dwukrotnie dłuższa żywotność niż w przypadku konwencjonalnych baterii do laptopów.
Co więcej, zmniejszenie ilości aktywnego, magazynującego energię materiału ma sprzeczny z intuicją efekt zwiększenia zdolności magazynowania kompozytu. Jeśli zbyt dużo litu zostanie usunięte z konwencjonalnych materiałów z tlenku kobaltu, materiał ulega degradacji i szybko traci zdolność do pełnego ładowania i rozładowywania. Nieaktywny materiał umożliwia wykorzystanie znacznie większej ilości litu bez uszkadzania materiału.
Materiał elektrody może przechowywać od 45 do 50 procent więcej energii niż najlepsze elektrody w bateriach do laptopów. Jeśli chodzi o całe ogniwo akumulatora – biorąc pod uwagę, że elektroda dodatnia stanowi mniej niż połowę całkowitej masy i objętości ogniwa akumulatora – całkowite magazynowanie energii w akumulatorze można poprawić o 20 do 30 procent, mówi Henriksen.
Kolejnym krokiem naukowców jest poprawa szybkości ładowania i rozładowywania materiału kompozytowego, aby można go było stosować w pojazdach hybrydowych. W obecnej postaci materiał Argonne można całkowicie rozładować w ciągu około trzech godzin – wystarczająco szybko dla laptopów, ale zbyt wolno dla samochodu. Aby technologia działała w hybrydach typu plug-in, pojazdach, w których akumulator można ładować z konwencjonalnego gniazdka elektrycznego, tempo rozładowywania będzie musiało być co najmniej trzy razy szybsze, a prawdopodobnie większe.
Yet-Ming Chiang, profesor inżynierii materiałowej na MIT, mówi, że nowy materiał jest znaczącym ulepszeniem w porównaniu z tlenkiem litowo-kobaltowym stosowanym w bateriach do laptopów. Jeśli myślisz o tym w kategoriach pola, które rośnie od 8 do 9 procent rocznie, to właśnie zaoszczędziłeś sobie trzy lata. Być może przeskoczyłeś konkurencję, mówi. Jestem pewien, że każdy, kto produkuje baterie do telefonów komórkowych i laptopów, byłby bardzo szczęśliwy, gdyby miał taką przewagę.