Onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy en de University of Tennessee, Knoxville, ontdekten een belangrijk materiaal dat nodig is voor het snel opladen van lithium-ionbatterijen. De commercieel relevante benadering opent een potentieel pad om de laadsnelheden voor elektrische voertuigen te verbeteren.

Lithium-ionbatterijen, of LIB's, spelen een essentiële rol in de portefeuille van schone energietechnologieën van het land. De meeste hybride elektrische en volledig elektrische voertuigen gebruiken LIB's. Deze oplaadbare batterijen bieden voordelen op het gebied van betrouwbaarheid en efficiëntie omdat ze meer energie kunnen opslaan, sneller opladen en langer meegaan dan traditionele loodzuurbatterijen. De technologie ontwikkelt zich echter nog steeds en er zijn fundamentele verbeteringen nodig om te voldoen aan de prioriteiten om de kosten, het bereik en de oplaadtijd van batterijen voor elektrische voertuigen te verbeteren.

"Het overwinnen van deze uitdagingen vereist vooruitgang in materialen die efficiënter zijn en synthesemethoden die schaalbaar zijn voor de industrie", zegt ORNL Corporate Fellow en corresponderende auteur Sheng Dai.

Resultaten gepubliceerd in Advanced Energy Materials demonstreren van een nieuw snelladend batterijanodemateriaal dat is bereikt met behulp van een schaalbare synthesemethode. Het team ontdekte een nieuwe verbinding van molybdeen-wolfraamniobaat, of MWNO, met snelle oplaadbaarheid en hoge efficiëntie die mogelijk grafiet in commerciële batterijen zou kunnen vervangen.

Grafiet is al decennia lang het beste materiaal om LIB-anoden te maken. In het basisbatterijontwerp zijn twee vaste elektroden - een positieve anode en een negatieve kathode - verbonden door een elektrolytoplossing en een separator. In LIB's bewegen lithiumionen heen en weer tussen de kathode en anode om energie op te slaan en vrij te geven die apparaten van stroom voorziet. Een uitdaging voor grafietanodes is dat het elektrolyt tijdens het laadproces uiteenvalt en zich ophoopt op het anodeoppervlak. Deze opbouw vertraagt ​​de beweging van lithiumionen en kan de stabiliteit en prestaties van de batterij beperken.

"Vanwege deze trage lithium-ionbeweging worden grafietanodes gezien als een wegversperring voor extreem snel opladen. We zijn op zoek naar nieuwe, goedkope materialen die beter kunnen presteren dan grafiet", zegt ORNL-postdoctoraal onderzoeker en eerste auteur Runming Tao. DOE's doel voor extreem snel opladen van elektrische voertuigen is gesteld op 15 minuten of minder om te kunnen concurreren met de tanktijden van voertuigen op gas, een mijlpaal die met grafiet nog niet is bereikt.

"Onze aanpak is gericht op niet-grafietmaterialen, maar deze hebben ook beperkingen. Sommige van de meest veelbelovende materialen - op niobium gebaseerde oxiden - hebben gecompliceerde synthesemethoden die niet goed geschikt zijn voor de industrie," zei Tao.

Conventionele synthese van niobiumoxiden zoals MWNO is een energie-intensief proces boven open vuur waarbij ook giftig afval ontstaat. Een praktisch alternatief zou ervoor kunnen zorgen dat MWNO-materialen serieuze kandidaten worden voor geavanceerde batterijen. Onderzoekers wendden zich tot het gevestigde sol-gel-proces, dat bekend staat om zijn veiligheid en eenvoud. In tegenstelling tot conventionele synthese bij hoge temperatuur, is het sol-gelproces een chemische methode bij lage temperatuur om een ​​vloeibare oplossing om te zetten in een vast of gelmateriaal en wordt het vaak gebruikt om glazen en keramiek te maken.

Het team transformeerde een mengsel van ionische vloeistof en metaalzouten in een poreuze gel die werd behandeld met warmte om de uiteindelijke eigenschappen van het materiaal te verbeteren. Dankzij de energiezuinige strategie kan het ionische vloeibare oplosmiddel dat als sjabloon voor MWNO wordt gebruikt, ook worden teruggewonnen en gerecycled.

"Dit materiaal werkt op een hogere spanning dan grafiet en is niet vatbaar voor het vormen van een zogenaamde 'passivatie-vaste elektrolytlaag' die de lithium-ionbeweging tijdens het opladen vertraagt. Zijn uitzonderlijke capaciteit en snelle oplaadsnelheid, gecombineerd met een schaalbare synthesemethode, maken het een aantrekkelijke kandidaat voor toekomstige batterijmaterialen," zei Tao.

De sleutel tot het succes van het materiaal is een nanoporeuze structuur die zorgt voor een verbeterde elektrische geleidbaarheid. Het resultaat biedt minder weerstand tegen de beweging van lithiumionen en elektronen, waardoor snel opladen mogelijk is.

"De studie bereikt een schaalbare synthesemethode voor een concurrerend MWNO-materiaal en biedt fundamentele inzichten over toekomstig ontwerp van elektrodematerialen voor een verscheidenheid aan energieopslagapparaten", aldus Dai. + Verder verkennen

Onderzoekers ontdekken innovatieve benadering om nieuwe materialen voor lithium-ionbatterijen te maken