Het succes van accu's van elektrische auto's hangt af van de kilometers die kunnen worden gereden op één lading, maar de huidige oogst van lithium-ionbatterijen bereikt hun natuurlijke limiet van hoeveel lading in een bepaalde ruimte kan worden verpakt, chauffeurs kort houden. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Universiteit van Maryland (UMD), het onderzoekslaboratorium van het Amerikaanse leger (ARL), en Argonne National Laboratory (ANL) hebben ontdekt hoe ze de capaciteit van een oplaadbare batterij kunnen vergroten door agressieve elektroden te gebruiken en deze potentieel gevaarlijke elektrodematerialen vervolgens te stabiliseren met een sterk gefluoreerde elektrolyt.

Een peer-reviewed artikel op basis van het onderzoek werd op 16 juli gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

"We hebben een op fluor gebaseerde elektrolyt gemaakt om een ​​lithium-metaalanode mogelijk te maken, waarvan bekend is dat het notoir instabiel is, en demonstreerde een batterij die tot duizend cycli meegaat met een hoge capaciteit, " zeiden co-eerste auteurs Xiulin Fan en Long Chen, postdoctorale onderzoekers aan de A. James Clark School of Engineering van UMD.

De nieuwe batterijen kunnen dus vele malen opladen en ontladen zonder het vermogen te verliezen om een ​​betrouwbare en hoogwaardige energiestroom te leveren. Zelfs na duizend laadcycli, de met fluor verbeterde elektrolyten zorgden voor 93% van de batterijcapaciteit, die de auteurs 'ongekend' noemen. Dit betekent dat een auto die op deze technologie rijdt, jarenlang betrouwbaar hetzelfde aantal kilometers kan rijden.

"De levenscyclus die ze bereikten met de gegeven elektrodematerialen en de werkspanningsvensters klinken 'ongekend'. Dit werk is een [sic] grote vooruitgang op het gebied van batterijen in de richting van het vergroten van de energiedichtheid, hoewel verdere afstemming nodig kan zijn om aan verschillende normen voor commercialisering te voldoen, " zei Jang Wook Choi, een universitair hoofddocent in chemische en biologische engineering aan de Seoul National University in Zuid-Korea. Choi was niet betrokken bij het onderzoek.

Het team demonstreerde de batterijen in knoopcelvorm als een horlogebatterij om te testen en werkt samen met industriële partners om de elektrolyten te gebruiken voor een hoogspanningsbatterij.

Deze agressieve materialen, zoals de lithium-metaalanode en nikkel en kathodematerialen met hoog voltage, worden zo genoemd omdat ze sterk reageren met ander materiaal, wat betekent dat ze veel energie kunnen vasthouden, maar ook de neiging hebben om andere elementen waarmee ze samenwerken te "opeten", waardoor ze onbruikbaar worden.

Chunsheng Wang, professor aan de afdeling Chemische en Biochemische Technologie van de Clark School, heeft samengewerkt met Kang Xu bij ARL en Khalil Amine bij ANL aan deze nieuwe elektrolytmaterialen voor batterijen. Omdat elk element op het periodiek systeem een ​​andere elektronenopstelling heeft, Wang bestudeert hoe elke permutatie van de chemische structuur een voor- of nadeel kan zijn in een batterij. Hij en Xu leiden ook een samenwerking tussen de industrie, de universiteit en de overheid, het Center for Research in Extreme Batteries. dat tot doel heeft bedrijven die batterijen nodig hebben voor ongebruikelijk gebruik te verenigen met de onderzoekers die ze kunnen uitvinden.

"Het doel van het onderzoek was om de capaciteitsbeperking die lithium-ionbatterijen ervaren te overwinnen. We hebben vastgesteld dat fluor het belangrijkste ingrediënt is dat ervoor zorgt dat deze agressieve chemische stoffen zich reversibel gedragen om een ​​lange levensduur van de batterij te verkrijgen. Een bijkomend voordeel van fluor is dat het de meestal brandbare elektrolyten die niet in staat zijn vlam te vatten, " zei Wang.

Het team maakte videobeelden van verschillende batterijcellen die in een oogwenk in brand vlogen, maar de fluorbatterij was ondoordringbaar.

De hoge populatie van fluorhoudende soorten in de interfasen is de sleutel tot het laten werken van het materiaal, hoewel de resultaten in het verleden voor verschillende onderzoekers varieerden met betrekking tot de fluorering.

"Je kunt bewijzen vinden in de literatuur die fluor ondersteunen of afkeuren als goed ingrediënt in interfasen, " zei Xu, laboratoriummedewerker en teamleider van het onderzoek bij ARL. "Wat we in dit werk hebben geleerd, is dat, in de meeste gevallen is het niet alleen welke chemische ingrediënten je in de interfase hebt, maar hoe ze zijn gerangschikt en verdeeld."