Zwiększenie żywotności i pojemności baterii

Nowa sztuczka chemiczna do wytwarzania materiałów nanostrukturalnych może pomóc zwiększyć zasięg i niezawodność samochodów elektrycznych oraz doprowadzić do lepszych akumulatorów, które pomogą ustabilizować sieć energetyczną.

Porcja energii: Gdy fosforan litowo-manganowy jest hodowany w nowym procesie, tworzy mikroskopijne płytki (pokazane tutaj). Płyty te przewodzą zarówno elektrony, jak i jony litu, zamieniając je w przydatny materiał do przechowywania energii elektrycznej.

Naukowcy z Krajowe Laboratorium Północno-Zachodniego Pacyfiku (PNNL) w Richland w stanie Waszyngton opracowali technikę, która może przekształcić potencjalny materiał elektrodowy, który normalnie nie może magazynować energii elektrycznej, w taki, który przechowuje więcej energii niż podobne materiały akumulatorowe już dostępne na rynku.

W pracy opublikowanej w czasopiśmie Litery nano , naukowcy z PNNL pokazują, że parafina i kwas oleinowy pobudzają wzrost płytkowatych nanostruktur fosforanu litowo-manganowego. Te nanopłytki są małe i cienkie, dzięki czemu elektrony i jony (atomy lub molekuły o ładunku dodatnim lub ujemnym) mogą z łatwością wchodzić i wychodzić z nich. To zamienia materiał – który zwykle nie działa jako materiał baterii ze względu na bardzo słabą przewodność – w taki, który przechowuje duże ilości energii elektrycznej.

Kiedy naukowcy zmierzyli wydajność materiału, odkryli, że może on zmagazynować o 10 procent więcej energii niż teoretyczna maksymalna pojemność energetyczna porównywalnego komercyjnego materiału elektrodowego – fosforanu litowo-żelazowego, który jest stosowany w elektronarzędziach oraz niektórych pojazdach hybrydowych i elektrycznych .

Podejście to może otworzyć drzwi do wykorzystania szerokiej gamy potencjalnych materiałów na baterie, które są obecnie ograniczone przez ich zdolność przewodzenia elektryczności i jonów litu. Badania w tej dziedzinie osiągnęły punkt, w którym większość materiałów akumulatorowych pozostawionych do zbadania ma złą przewodność, mówi Daiwon Choi, badacz materiałów energetycznych w PNNL. Nowa metoda zapewnia prosty sposób na zwiększenie ich przewodnictwa. Twierdzi, że metoda może być również kompatybilna z konwencjonalnymi technikami produkcji baterii.

Zarówno fosforan litowo-żelazowy, jak i fosforan litowo-manganowy są atrakcyjne dla elektrod akumulatorowych, ponieważ mają stabilną strukturę atomową. Ta krystaliczna struktura – zwana oliwinem – jest znacznie bardziej stabilna niż struktura krystaliczna materiałów elektrod stosowanych w bateriach do laptopów i telefonów komórkowych. W rezultacie materiały z oliwinu mogą wytrzymać znacznie dłużej niż trzy lata, które zwykle wytrzymują materiały używane w bateriach do telefonów komórkowych. Niektórzy producenci twierdzą, że akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe mogą wytrzymać ponad 30 000 pełnych cykli ładowania i rozładowania, nie tracąc wiele ze swojej zdolności do przechowywania energii – wystarczy, aby bateria wytrzymała 50 lat, mówi Choi.

Teoretycznie fosforan litowo-manganowy mógłby wytrzymać podobną liczbę cykli, ponieważ ma podobną strukturę krystaliczną. Ale ma tę dodatkową zaletę, że potencjalnie jest w stanie zmagazynować o 20 procent więcej energii niż fosforan litowo-żelazowy, ponieważ działa przy wyższym napięciu. Jednak szczególnie trudno było zmodyfikować fosforan litowo-manganowy, aby przezwyciężyć fakt, że jest izolatorem elektrycznym.

Poprzednie próby wymagały przetwarzania materiałów prekursorowych w płynnym roztworze przed stworzeniem stałych materiałów akumulatorowych – proces, który jest zbyt kosztowny do produkcji komercyjnej. Nowa metoda opracowana w PNNL eliminuje ten oddzielny etap przetwarzania cieczy, upraszczając proces i czyniąc go kompatybilnym z istniejącymi technikami produkcyjnymi.

Aby przygotować materiał, naukowcy mieszają prekursory chemiczne z parafiną i kwasem oleinowym. Wosk i kwas współpracują ze sobą, powodując, że materiały prekursorowe tworzą kryształy o dobrze kontrolowanym rozmiarze i kształcie bez zbrylania się. Wosk upłynnia się w wysokich temperaturach stosowanych do przetwarzania materiału i działa jako rozpuszczalnik, który zastępuje oddzielny etap przetwarzania cieczy stosowany we wcześniejszych badaniach.

Do tej pory materiał można ładować tylko przy niskich stawkach (chociaż dostarcza wystarczająco szybko energii do wielu zastosowań). Choi mówi, że jednym z kolejnych kroków jest opracowanie lepszego procesu powlekania nanopłytek węglem, co powinno poprawić przewodnictwo.

Chociaż fosforan litowo-manganowy jest atrakcyjny, ponieważ przechowuje więcej energii niż fosforan litowo-żelazowy, oba zajmują stosunkowo dużą objętość w porównaniu z innymi rodzajami elektrod do akumulatorów litowo-jonowych. Jeff Dahn, profesor fizyki i chemii na Uniwersytecie Dalhousie, mówi, że może to ostatecznie uczynić je bardziej atrakcyjnymi w zastosowaniach stacjonarnych – takich jak przechowywanie energii w sieci elektrycznej w celu wygładzenia zmienności ze źródeł odnawialnych – niż w przypadku pojazdów elektrycznych.

ukryć