Elektrische voertuigen winnen aan populariteit, maar hun lange oplaadtijd is een aanzienlijke afbreuk voor potentiële klanten. Terwijl een typische SUV met een verbrandingsmotor 500 mijl zou kunnen afleggen met vijf minuten tanken, een ultramodern elektrisch voertuig heeft ongeveer een uur nodig om voldoende energie op te slaan om dezelfde afstand af te leggen. De technologie voor een lithium-ionbatterij met hoge capaciteit die snel oplaadt en efficiënt werkt, is nog steeds een niet-gerealiseerd doel, maar onderzoekers zijn nu dichterbij dan ooit.

Een internationaal team van onderzoekers heeft op 8 oktober details gepubliceerd over een geconstrueerd elektrodemateriaal dat dergelijke geavanceerde batterijen mogelijk maakt Wetenschap.

"De combinatie van hoge energie, hoog tarief, en een lange levensduur is de heilige graal van batterijonderzoek, die wordt bepaald door een van de belangrijkste componenten van de batterij:de elektrodematerialen, " zei Hengxing Ji, professor aan de Universiteit van Wetenschap en Technologie van China (USTC). "We streven naar een elektrodemateriaal dat een deuk kan maken in prestatiestatistieken van laboratoriumonderzoek en dat de belofte kan inhouden om stand te houden met de industriële productietechnieken en -vereisten."

Energie komt en verlaat de batterij door elektrochemische reacties in elektroden, dus efficiënte en effectieve lithium-ionoverdracht is van het grootste belang, volgens eerste auteur Hongchang Jin van USTC, vooral bij het overbrengen van de energie van de batterij naar het apparaat via de anode.

De onderzoekers wendden zich tot zwarte fosfor, een materiaal dat eerder is overwogen voor gebruik in elektroden, maar meestal wordt verlaten vanwege de neiging om langs de gelaagde randen te vervormen, waardoor de overdracht van lithium-ionen zeer inefficiënt is en materiaal van mindere kwaliteit wordt. Door zwarte fosfor te combineren met grafiet, de chemische bindingen tussen deze twee materialen stabiliseren en voorkomen de problematische randveranderingen.

Het team heeft ook een ander probleem aangepakt dat het materiaal hindert:elektrolyten kunnen uiteenvallen in minder geleidende stukken en zich ophopen op het oppervlak van de elektrode, remming van de overdracht van lithium-ion naar het elektrodemateriaal, als stof dat licht door glas verduistert. Het team bracht een dunne polymeergelcoating aan op de elektrodematerialen en versterkte het lithium-ion transportpad, het probleem effectief te voorkomen.

"Het composietanodemateriaal herstelde 80% van zijn volledige capaciteit in minder dan 10 minuten en vertoont een levensduur van 2000 cycli bij kamertemperatuur, die werd gemeten onder omstandigheden die compatibel zijn met de industriële fabricageprocessen, " zei co-eerste auteur Sen Xin, professor van het Institute of Chemistry Chinese Academie van Wetenschappen. "Als schaalbare productie kan worden bereikt, dit materiaal kan een alternatief bieden, bijgewerkte grafietanode, en ons naar een lithium-ionbatterij met een energiedichtheid van meer dan 350 watt-uur per kilogram en snellaadvermogen brengen. Succesvolle projectie van de bovenstaande parameters op het elektrische voertuig zal zijn concurrentiepositie ten opzichte van de brandstofauto's aanzienlijk verhogen."

De 350 watt-uur per kilogram beschrijft de energiecapaciteit van de batterij - een elektrisch voertuig met zo'n batterij zou 600 mijl kunnen afleggen op een enkele lading. Ter vergelijking, de op de markt verkrijgbare Tesla Model S kan 400 mijl afleggen op één lading.

Met deze nieuwe technologie, Ji zei dat de onderzoekers van plan zijn om zowel fundamentele wetenschappelijke vragen over het lithium-ion laad-ontlaadproces als industriegerelateerde vragen te beantwoorden over manieren om de productie van composietmateriaal in mildere omstandigheden op te schalen.

"We zullen technische materialen met een rationeel geselecteerde structuur onderzoeken, maar met aandacht voor prijs en bruikbaarheid om een ​​aantrekkelijke prestatie te bereiken, "zei Ji.