Onderzoekers van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) van het Energy Department wenden zich tot extreem kleine buizen en staafjes om het vermogen en de duurzaamheid van lithium-ionbatterijen te vergroten, de energiebronnen voor mobiele telefoons, laptops, en elektrische voertuigen. Indien succesvol, de batterijen gaan langer mee en presteren beter, wat leidt tot een kostenvoordeel voor elektrische voertuigen.

Transport en communicatie over de hele wereld zijn in toenemende mate afhankelijk van lithium-ionbatterijen, met mobiele telefoons alomtegenwoordig op zes continenten, en elektrische voertuigen op tempo om te versnellen van een wereldwijde markt van $ 1 miljard in 2009 tot $ 14 miljard in 2016, volgens analisten Frost en Sullivan.

De Energy Storage-groep van NREL werkt samen met de afdeling Energie, ontwikkelaars van autobatterijen, en autofabrikanten om de prestaties en duurzaamheid van geavanceerde lithium-ionbatterijen te verbeteren voor een schonere, veiliger vervoer in de toekomst, zei Energy Storage Group Manager Ahmad Pesaran. "De nanobuisbenadering vertegenwoordigt een opwindende kans - het verbeteren van de prestaties van oplaadbare lithium-ionbatterijen terwijl ze langer meegaan, "Zei Pesaran. "Het verhogen van de levensduur en prestaties van oplaadbare batterijen zal de totale kosten van elektrische voertuigen verlagen en ons minder afhankelijk maken van buitenlandse energiebronnen."

Wetenschappers van NREL hebben kristallijne nanobuisjes en nanostaafjes gemaakt om de grote uitdagingen aan te gaan die inherent zijn aan lithium-ionbatterijen:ze kunnen te heet worden, te veel wegen, en zijn minder dan geweldig in het geleiden van elektriciteit en snel opladen en ontladen.

De meest recente bijdrage van NREL aan sterk verbeterde batterijen zijn krachtige, bindmiddelvrij, op koolstof-nanobuis gebaseerde elektroden. De technologie heeft snel belangstelling gewekt van de industrie en wordt in licentie gegeven aan NanoResearch, Inc., voor volumeproductie.

Nanotechnologie verwijst naar de manipulatie van materie op atomaire of moleculaire schaal. Hoe klein? Een nanometer is een miljardste van een meter; er zou 1 nodig zijn 000 van de nanobuisjes in het NREL-project stonden naast elkaar om de breedte van een mensenhaar te overschrijden.

Nog, wetenschappers van NREL zijn niet alleen in staat om nuttige objecten te maken die klein, maar leiden hun formaties in bepaalde vormen. Ze hebben nanobuisjes en nanostaafjes op zo'n manier gecombineerd dat ze kunnen helpen bij het opladen van de batterij en tegelijkertijd zwelling en krimp verminderen, wat leidt tot elektroden met een kortere levensduur.

"Zie een lithium-ionbatterij als een vogelnest, NREL-wetenschapper Chunmei Ban zei. "De NREL-aanpak maakt gebruik van nanostaafjes om te verbeteren wat er binnenin gebeurt. terwijl het ervoor zorgt dat het nest duurzaam en veerkrachtig blijft."

"We veranderen de architectuur, de chemie enigszins veranderen, " zonder de batterij zelf te vervangen, ze zei.

Het werk van NREL werd ondersteund door het Vehicle Technology Office van het Energy Department in het kader van het Battery for Advanced Transportation Technologies (BATT)-programma, dat zich richt op het verlagen van de kosten en het verbeteren van de prestaties en duurzaamheid van de lithium-ionbatterijen die elektrische voertuigen aandrijven.

Koolstofnanobuisjes binden en geleiden

Typische lithium-ionbatterijen gebruiken afzonderlijke materialen voor het geleiden van elektronen en het binden van actieve materialen, maar de aanpak van NREL gebruikt koolstofnanobuisjes voor beide functies. "Dat verbetert onze massabelading, wat resulteert in het inpakken van meer energie in dezelfde ruimte, dus betere energie-output voor de batterij, Ban zei. "De NREL-aanpak helpt ook bij omkeerbaarheid - het omkeren van chemische reacties waardoor de batterij tijdens bedrijf kan worden opgeladen met elektrische stroom. Als we de duurzaamheid en omkeerbaarheid kunnen verbeteren, we besparen zeker geld en verlagen de kosten."

Enkelwandige koolstofnanobuizen (SWCNT's) zijn duur, maar wetenschappers en ingenieurs die in het veld werken, zijn ervan overtuigd dat naarmate het gebruik van op SWCNT gebaseerde elektroden breder wordt, hun prijs zal dalen tot een punt waarop ze economisch zinvol zijn in batterijen, zei Ban.

In een lithium-ionbatterij, lithiumionen bewegen heen en weer in de grafietanode door een elektrolyt; de ionen worden geïnjecteerd tussen de koolstoflagen van grafiet, die duurzaam maar onnodig dicht is. Tegelijkertijd, elektronen stromen buiten de batterij door een elektrische belasting van de kathode naar de anode. Elektrolyten zijn essentieel in oplaadbare batterijen omdat ze het circuit in de batterijen sluiten door ionen over te laten; anders, de batterij kan niet doorgaan met het geleiden van elektriciteit van de positieve naar de negatieve polen en weer terug.

Hoogenergetische materialen, zoals metaaloxiden en siliciumanoden, hebben enorme volumeveranderingen wanneer lithiumionen worden geïnjecteerd en geëxtraheerd uit het elektrodemateriaal. Ze zwellen en krimpen, verzamelen zich in een cluster en raken elkaar aan, samen krimpen, instorting en daaropvolgende scheuren veroorzaken die de prestaties kunnen schaden, wat leidt tot vernietiging van de elektrode en dus een kortere levensduur.

Bepaalde metaaloxiden doen het beter dan grafiet om samen te werken met de elektroden. Maar terwijl ze de energie-inhoud en omkeerfuncties verbeteren, ze dragen nog steeds bij aan de grote uitbreiding in volume en de vernietiging van de interne structuur.

Het NREL-team wendde zich tot ijzeroxide, die overvloedig is, veilig, goedkoop, en toont een grote belofte. Nog, effectief zijn, de grootte van de ijzeroxide-nanodeeltjes moest precies goed zijn - en moest worden gehandhaafd in een sterke matrix die zowel flexibel als veerkrachtig was om grote volumeveranderingen aan te kunnen en tegelijkertijd elektriciteit optimaal te geleiden.

NREL maakte gebruik van de unieke eigenschappen van SWCNT's om de uitdagingen van warmte aan te pakken, gewicht, en in één keer ontladen. "We gebruiken de koolstofnanobuis in dit flexibele netwerk om een ​​geleidende, touwachtige wikkel te maken, " zei Ban. Dus, wanneer er krimp is, die wikkels zorgen ervoor dat de elektronen het ijzeroxide bereiken en onverminderd doorgaan op het geleidende pad. Het gebruik van nanodeeltjes verkort de diffusielengte, het verbeteren van het vermogen van snel opladen en ontladen. Door overvloedig goedkoop materiaal te gebruiken, is er minder behoefte aan dure metalen als kobalt, momenteel gebruikt in de kathoden van lithium-ionbatterijen, het verlagen van de totale kosten."

Betere anodes en kathoden bouwen

De SWCNT met ijzeroxide-oplossing produceerde een vermogensdichtheid die driemaal zo hoog was als die van grafiet, wat sterke prestaties betekent, terwijl een groot deel van het gewicht van een batterij die afhankelijk is van grafiet, wordt geëlimineerd. Om daar te komen, het was essentieel dat de ijzeroxidedeeltjes uniform binnen de omringende nanobuisjes werden verdeeld.

Ban en NREL-collega Zhuangchun Wu gebruikten hydrothermische synthese en vacuümfiltratie om lithium-ionanoden te bouwen die niet de typische bindmiddelen nodig hebben (de adhesiekracht waardoor de batterij laad-ontlaadcycli kan doorstaan) maar met een hoge capaciteit. De eerste stap was het maken van ijzeroxide nanostaafjes als voorlopers voor het maken van elektroden. Ban en haar collega's ontdekten dat bij 450 °C, het uitgloeien van de ijzerhydroxide-nanostaafjes met SWCNT's zou ijzeroxide produceren. En, de SWCNT's droegen slechts 5% bij aan het gewicht. Niet alleen vergemakkelijkten de SWCNT's de vorming van de ijzeroxidedeeltjes, maar ze zorgden voor een uitstekend fysiek en elektrisch contact tussen de twee materialen.

Voor kathode-elektroden, ze hebben NMC - lithium-nikkel-mangaan-kobaltoxide - in de nanobuisjes ingebed, waardoor de nanodeeltjes zeer geleidend worden. Het resulterende nanocomposiet behoudt 92% van zijn oorspronkelijke vermogen om elektrische ladingen op te slaan en te geleiden, zelfs na 500 cycli van opladen en opnieuw opladen.

Expertise in de synthese van natte chemie leidde tot de ideale vormen

Het is niet zo eenvoudig als nanomaterialen in batterijen te stoppen, zei Ban. "Je hebt een speciaal proces nodig om het te laten werken." Ban en haar NREL-collega's Wu en Anne Dillon gebruikten een vacuümfiltratieproces om goedkoop ijzeroxide te combineren met koolstofnanobuisjes.

Ban bracht haar ervaring in natchemische synthese met zich mee voor de uitdaging om de vormen van de nanomaterialen te beïnvloeden om ze in de vorm van staafjes te maken. "We weten hoe we de syntheseomstandigheden kunnen veranderen om het ontwerp te sturen of de structuur en vorm van nanomaterialen te realiseren, ' zei Ban.

Ze kozen voor een staafvorm omdat ze dachten dat die goed zou integreren met de nanodraden en krommingen van nanobuisjes, wikkelen zich eromheen om een ​​robuuste elektrode te creëren. De ongewoon lange en zeer flexibele strengen van de nanomaterialen zijn cruciaal voor de superieure eigenschappen van de elektroden. Ze hechten zich nauw aan de deeltjes, en hun porositeit zorgt voor een ideale diffusie.

Een oplaadbare batterij die lang meegaat

De innovatieve elektroden die door NREL zijn bedacht, kunnen superieure capaciteit betekenen, uitvoering, en veiligheid voor lithium-ionbatterijen.

David Addie Noye, die NanoResearch heeft opgericht, Inc., met een plan om bewezen nanowetenschappelijke innovaties te commercialiseren, bezocht NREL, zag het proces, en besloot de technologie in licentie te geven. De innovatie op het gebied van nanomateriaalchemie en innovatie van het productieproces die resulteert in binderloze elektroden "is een game changer omdat het helpt bij het oplossen van een fundamenteel probleem dat de lithium-ionbatterij-industrie al tientallen jaren niet heeft kunnen oplossen, " hij zei.

De verbeteringen in de lithium-ionbatterijen die door de aanpak van NREL worden geboden, kunnen ook een verschil maken in draagbare consumentenelektronica, zoals laptops, tabletten, telefoons, en draagbare media, evenals de stationaire apparaten voor energieopslag die steeds belangrijker zullen worden naarmate er meer hernieuwbare energie met variabele opwekking op het net komt.

"We maken geen nieuwe batterij, maar we veranderen de architectuur enigszins door SWCT-omhulde metaaloxide-anoden te gebruiken, ' zei Ban. 'Door dat te doen, we verbeteren de massalading, energie-output per gewicht, en volume." Het proces zorgt voor een snellere lading, en dat is het belangrijkste voor fabrikanten en hun klanten. Dat betekent minder ritten naar het laadstation, en een batterij die maar doorgaat en doorgaat.