Onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een nieuw mechanisme gemeld om het opladen van lithium-ionbatterijen voor elektrische voertuigen te versnellen. Gewoon de kathode blootstellen aan een bundel geconcentreerd licht, bijvoorbeeld het witte licht van een xenonlamp - verkort de oplaadtijd van de batterij met een opmerkelijke factor twee of meer. Indien gecommercialiseerd, dergelijke technologie zou een game changer kunnen zijn voor elektrische voertuigen.

Eigenaren van elektrische voertuigen zijn zich terdege bewust van "bereikangst" omdat het laadniveau laag is of de locatie van het dichtstbijzijnde laadstation te ver lijkt. Snelladen blijft een cruciale uitdaging als dergelijke voertuigen ooit een groot segment van de transportmarkt willen veroveren. Het opladen van een lege elektrische auto duurt doorgaans ongeveer acht uur.

Er bestaan ​​nu speciale superchargers die elektrische voertuigen ultrasnel opladen door een veel hogere stroom aan de batterij te leveren. Te veel stroom in een te korte tijd doorgeven, echter, verslechtert de prestaties van de batterij.

Typisch, lithium-ionbatterijen voor voertuigen worden langzaam opgeladen om een ​​volledige elektrochemische reactie te verkrijgen. Deze reactie omvat het verwijderen van lithium van de oxidekathode en het inbrengen ervan in de grafietanode.

"We wilden deze laadreactie aanzienlijk verkorten zonder de elektroden te beschadigen door de resulterende hogere stroomsterkte, " zei Christoffel Johnson, Argonne Distinguished Fellow en groepsleider in de divisie Chemical Sciences and Engineering.

De huidige lithium-ionbatterijen werken in een donkere staat, met de elektroden in een behuizing. De foto-ondersteunde technologie van Argonne zou een transparante container gebruiken die geconcentreerd licht toelaat om de batterij-elektroden te verlichten tijdens het opladen.

Om het laadproces te onderzoeken, het onderzoeksteam maakte kleine lithium-ioncellen ("muntcellen") met transparante kwartsvensters. Vervolgens testten ze deze cellen met en zonder wit licht dat door het raam op de kathode schijnt.

"We veronderstelden dat, tijdens het opladen, wit licht zou een gunstige wisselwerking hebben met het typische kathodemateriaal, en dat bleek het geval te zijn in onze celtesten, "zei Johnson. Dat kathodemateriaal is een lithium-mangaanoxide, afgekort als LiMn ₂ O ₄ (LMO).

Het belangrijkste ingrediënt in deze gunstige reactie is het samenspel van licht met LMO, een halfgeleidend materiaal waarvan bekend is dat het in wisselwerking staat met licht. Terwijl de fotonen tijdens het opladen in het licht worden geabsorbeerd, het element mangaan in de LMO verandert zijn ladingstoestand van driewaardig naar vierwaardig (Mn ³⁺ naar Mn ⁴⁺ ). In antwoord, lithiumionen stoten sneller uit de kathode dan zou gebeuren zonder het foton-excitatieproces.

Deze toestand zorgt ervoor dat de batterij sneller reageert. Het team ontdekte dat de snellere reactie resulteerde in sneller opladen zonder de prestaties van de batterij of de levensduur te verminderen. "Onze celtests toonden een afname van de oplaadtijd met een factor twee met het licht aan, ' zei Johnson.

Het onderzoeksteam voerde dit werk uit als onderdeel van het Centre for Electrochemical Energy Science (CEES), een DOE Energy Frontier Research Center (EFRC) onder leiding van Argonne.

"Dit onderzoek is een goed voorbeeld van hoe het doel van CEES om de elektrodeprocessen in lithium-ionbatterijen te begrijpen, cruciale vooruitgang mogelijk maakt die de technologie beïnvloedt, " zei Paul Fenter, CEES Directeur en senior fysicus in de divisie Chemische Wetenschappen en Engineering. "Dit is kenmerkend voor de transformationele effecten die het EFRC-programma kan bereiken."

Johnson voegde eraan toe dat "Deze bevinding is de eerste in zijn soort waarbij licht- en batterijtechnologieën worden samengevoegd, en dit kruispunt belooft veel goeds voor de toekomst van innovatieve laadconcepten voor batterijen."

Het Vehicle Technologies Office van het DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy heeft snel opladen geïdentificeerd als een cruciale uitdaging om te zorgen voor massale acceptatie van elektrische voertuigen met een doel van 15 minuten. oplaadtijd, en dit onderzoek zou een sleutel kunnen zijn om dit mogelijk te maken.

Dit onderzoek verscheen in Natuurcommunicatie , getiteld "Foto-versneld snel opladen van lithium-ionbatterijen."