Wetenschappers hebben een lithium-ionbatterij ontwikkeld die bij een verhoogde temperatuur oplaadt om de reactiesnelheid te verhogen, maar de cel koel houdt tijdens het ontladen. toont het potentieel om in 10 minuten 200 mijl rijbereik aan een elektrische auto toe te voegen. Indien geschaald, het ontwerp is een mogelijke strategie om de bezorgdheid weg te nemen dat volledig elektrische voertuigen onvoldoende actieradius hebben om veilig een bestemming te bereiken zonder halverwege de reis te stoppen. De onderzoekers van de Pennsylvania State University presenteren het werk op 30 oktober in het tijdschrift Joule .

Wetenschappers hebben de noodzaak erkend om batterijen voor elektrische voertuigen te ontwerpen die extreem snel kunnen worden opgeladen om aan de behoeften van bestuurders te voldoen. Echter, zo'n snelle oplaadsnelheid zou een batterij vereisen om snel 400 kilowatt energie op te nemen, een prestatie die huidige voertuigen niet kunnen bereiken omdat het lithiumplating (de vorming van metallisch lithium rond de anode) riskeert, wat de levensduur van de batterij ernstig zou verslechteren.

Terwijl conventionele lithiumbatterijen bij dezelfde temperatuur worden opgeladen en ontladen, de onderzoekers ontdekten dat ze het lithiumplatingprobleem konden omzeilen door de batterij een paar minuten op te laden tot een verhoogde temperatuur van 60 graden Celsius, vervolgens ontladen bij lagere temperaturen.

"Naast snelladen, dit ontwerp stelt ons in staat de blootstellingstijd van de batterij te beperken tot de verhoogde laadtemperatuur, waardoor een zeer lange levensduur wordt gegenereerd, " zegt senior auteur Chao-Yang Wang, een werktuigbouwkundig ingenieur aan de Pennsylvania State University. "De sleutel is om snelle verwarming te realiseren; anders, de batterij zal te lang op hoge temperaturen blijven, ernstige degradatie veroorzaken."

Om de verwarmingstijd te verkorten en de hele batterij op een uniforme temperatuur te verwarmen, Wang en collega's hebben een lithium-ionbatterijontwerp uitgerust met een zelfverwarmende nikkelstructuur die in minder dan dertig seconden voorverwarmt. Om hun model te testen, ze laadden drie grafietzakjes op die waren ontworpen voor hybride elektrische voertuigen op 40, 49, en 60 graden Celsius, evenals een controle bij 20 graden Celsius, verschillende koelstrategieën gebruiken om de laadtemperatuur constant te houden. Om te bevestigen dat lithiumplating niet heeft plaatsgevonden, later ontlaadden ze de cellen volledig en openden ze voor analyse.

Wang en het team ontdekten dat de tot 60 graden Celsius voorverwarmde batterijen het extreem snelle oplaadproces 1 700 cycli, terwijl de controlecel slechts 60 cycli kon bijhouden. Bij een gemiddelde laadtemperatuur tussen 49 en 60 graden Celsius, het onderzoek heeft geen lithiumplating waargenomen. De onderzoekers merkten ook op dat een verhoogde laadtemperatuur de koeling die nodig is om de cel op de begintemperatuur te houden aanzienlijk verminderde - de controlecel genereerde 3,05 wattuur, terwijl de cel van 60 graden Celsius slechts 1,7 wattuur genereerde.

"Vroeger, algemeen werd aangenomen dat lithium-ionbatterijen niet bij hoge temperaturen moeten werken vanwege de bezorgdheid over versnelde nevenreacties, ", zegt Wang. "Deze studie suggereert dat de voordelen van verzachte lithiumplating bij de verhoogde temperatuur met beperkte blootstellingstijd veel groter zijn dan de negatieve impact die gepaard gaat met verergerde nevenreacties."

De onderzoekers merken op dat de technologie volledig schaalbaar is omdat alle cellen zijn gebaseerd op industrieel beschikbare elektroden; en ze hebben het gebruik ervan al aangetoond in grootschalige cellen, modulen, en batterijpakketten. De nikkelfolie verhoogt de kosten van elke cel met 0,47%, maar omdat het ontwerp de noodzaak elimineert voor de externe verwarmingen die in de huidige modellen worden gebruikt, het verlaagt in feite de productiekosten van elk pakket.

Volgende, Het team van Wang is van plan om met hun ontwerp een stap verder te gaan.

"We werken eraan om een ​​energierijke batterij van een elektrisch voertuig in vijf minuten op te laden zonder deze te beschadigen. " zegt hij. "Dit vereist zeer stabiele elektrolyten en actieve materialen naast de zelfverwarmende structuur die we hebben uitgevonden."