Met een toenemend gebruik van oplaadbare batterijen voor moderne technologie, vooral elektrische voertuigen, onderzoekers zijn op zoek gegaan naar alternatieve materialen voor lithium-ion in oplaadbare batterijen.

Moderne batterijen gebruiken lithium en kobalt, maar deze hebben een zeer beperkte voorraad.

Materiaalwetenschappers van de McKelvey School of Engineering aan de Washington University in St. Louis hebben een potentieel alternatief gevonden voor lithium in fluor, een relatief overvloedig en licht element. Hun onderzoek werd op 7 december afgedrukt in de Tijdschrift voor materiaalchemie .

interessant, het fluoride-ion is de spiegel tegenover het lithium-ion, met de sterkste aantrekkingskracht voor elektronen, waardoor het gemakkelijk elektrochemische reacties kan uitvoeren. Onderzoekers in Japan testen ook fluoride-ionbatterijen als mogelijke vervangingen voor lithium-ionbatterijen in voertuigen. Ze zeggen dat deze batterijen elektrische voertuigen kunnen laten rijden 1, 000 kilometer (621 mijl) op een enkele lading. Echter, huidige fluoride-ionbatterijen zijn slecht recyclebaar, dat wil zeggen ze hebben de neiging om snel te degraderen met laad-ontlaadcycli.

Onderzoekers Steven Hartman en Rohan Mishra hebben een nieuwe benadering aangenomen voor het ontwerp van fluoride-ionbatterijen, het identificeren van twee materialen die gemakkelijk fluoride-ionen winnen of verliezen terwijl ze kleine structurele veranderingen ondergaan om een ​​goede recycleerbaarheid mogelijk te maken. misra, universitair docent werktuigbouwkunde &materiaalkunde, zei dat de nieuwe batterijmaterialen beide gelaagde elektroden zijn.

Elektroden zijn een relatief nieuwe klasse van materialen die in principe al zo'n 50 jaar bekend zijn, maar het was pas in de afgelopen 10 tot 15 jaar dat hun eigenschappen beter werden begrepen, zei Misra. Hoewel deze materialen elektronen geleiden zoals gewone metalen, in tegenstelling tot de "zee van elektronen" in metalen waar de elektronen door het kristal zijn gedelokaliseerd, bij elektroden, de elektronen bevinden zich op specifieke interstitiële plaatsen in de kristalstructuur, vergelijkbaar met een ion.

"We voorspellen dat deze interstitiële elektronen gemakkelijk kunnen worden vervangen door fluoride-ionen zonder significante vervormingen van de kristalstructuur, waardoor fietsbaarheid mogelijk wordt, " zei Mishra. "De fluoride-ionen kunnen ook vrij gemakkelijk bewegen of diffunderen vanwege de relatief open structuur van de gelaagde elektroden."

Hartman, een alumnus van het Institute of Materials Science &Engineering die een doctoraat behaalde in het laboratorium van Mishra voordat hij een postdoctoraal mandaat aanvaardde aan het Los Alamos National Laboratory, gebruikte kwantummechanische berekeningen om tientallen potentiële batterijkandidaten te testen.

De geautomatiseerde tests introduceerden fluoride in de interstitiële ruimten van de gelaagde elektriden dicalciumnitride en yttriumhypocarbide. De energieopslagmogelijkheden lagen dicht bij de prestaties van lithium-ionbatterijen. In het geval van dicalciumnitride, het bestaat uit relatief overvloedige elementen en kan helpen om het tekort aan elementen die momenteel in lithium-ionbatterijen worden gebruikt, te verhelpen.

Hartman contrasteerde de batterijstudie met ander werk van de Mishra-groep, die gebruikmaakt van 'big data'-technieken voor machine learning om duizenden kandidaten te doorzoeken.

"Dit vergde meer intuïtie en trial-and-error dan andere onderzoeken die we hebben gedaan, Hartman zei. je kunt veel fluoride-ionen toevoegen aan conventionele elektroden om veel lading op te slaan, maar in de praktijk deze theoretische capaciteiten zijn moeilijk te beheren. Als we fluoride toevoegen aan conventionele elektroden, ze zwellen en krimpen dramatisch tijdens het opladen en ontladen, en dat kan leiden tot barsten en verlies van elektrisch contact."

Het minimaliseren van deze volume- en vormverandering is essentieel om een ​​duurzame fluoridebatterij te creëren.

"In deze gelaagde elektrodematerialen, we voorspellen dat het toevoegen en verwijderen van de fluoride-ionen aanzienlijk kleinere structurele veranderingen zou veroorzaken, waardoor een langer fietsleven wordt bereikt, ' zei Hartman.

Mishra's lab wil samenwerken met onderzoekers die de veelbelovende elektroden die in dit onderzoek zijn geïdentificeerd, kunnen synthetiseren en testen in prototypebatterijen.

McKelvey School of Engineering bevat een groep interdisciplinaire faculteitsleden die batterijonderzoek uitvoeren. Recent onderzoek door Peng Bai, assistent-professor energie, milieu- en chemische technologie, resulteerde in de mogelijkheid om de stroomdichtheidsdrempel van de batterij te benaderen en nauwkeurig de kortsluitingstijd voor een bepaalde stroomdichtheid te voorspellen.

Jason Hij, hoogleraar energie, milieu- en chemische technologie, heeft onlangs een haalbaarheidsstudie uitgevoerd voor het elektrochemisch "bijvullen" van lithium-ionbatterijen in de gebruikte elektroden om bruikbare verbindingen te regenereren, zoals lithiumkobaltoxide.