Aby wydłużyć czas pracy baterii: popychanie baterii litowo-jonowych do następnego poziomu wydajności

January 15, 2019

Konwencjonalne akumulatory litowo-jonowe, takie jak szeroko stosowane w smartfonach i notebookach, osiągnęły ograniczenia wydajności. Chemik zajmujący się materiałami Freddy Kleitz z Wydziału Chemii Uniwersytetu Wiedeńskiego oraz międzynarodowi naukowcy opracowali nowy nanostrukturowy materiał anodowy do akumulatorów litowo-jonowych, który zwiększa pojemność i cykl życia baterii. Oparty na mezoporowatym mieszanym tlenku metalu w połączeniu z grafenem, materiał może zapewnić nowe podejście do lepszego wykorzystania akumulatorów w dużych urządzeniach, takich jak pojazdy elektryczne lub hybrydowe. Opracowanie zostało opublikowane jako okładka bieżącego wydania Advanced Energy Materials .

Wysoka gęstość energii, wydłużona żywotność i brak efektu pamięci: akumulatory litowo-jonowe są najbardziej rozpowszechnionymi urządzeniami do przechowywania energii w urządzeniach mobilnych, jak również nośnikami nadziei na mobilność elektromobilną. Naukowcy poszukują nowych rodzajów aktywnego materiału elektrodowego, aby popchnąć akumulatory na kolejny poziom wysokiej wydajności i wytrzymałości, a także aby były bardziej przydatne w przypadku dużych urządzeń. "Nanostrukturalne materiały na baterie litowo-jonowe mogą stanowić dobre rozwiązanie", mówi Freddy Kleitz z Wydziału Chemii Nieorganicznej - Materiały Funkcjonalne Uniwersytetu Wiedeńskiego, który wraz z Claudio Gerbaldim, liderem Grupy ds. Materiałów Stosowanych i Elektrochemii na Politechnice di Torino, Włochy, jest głównym autorem badania.

Nanokompozyt 2D / 3D oparty na mieszanym tlenku metalu i grafenie, opracowany przez dwóch naukowców i ich zespoły, znacznie zwiększa wydajność elektrochemiczną akumulatorów litowo-jonowych. "W naszych testach nowy materiał na elektrodę znacznie poprawił swoją specyfikę dzięki niespotykanej stabilności odwracalnej w cyklu na przestrzeni ponad 3000 cykli ładowania i rozładowania, nawet przy bardzo wysokich prądach do 1280 miliamperów" - mówi Freddy Kleitz, kierownik działu. Dzisiejsze akumulatory litowo-jonowe tracą swoją wydajność po około 1000 cyklach ładowania.

Nowy przepis

Konwencjonalne anody często zawierają materiał węglowy, taki jak grafit. "Tlenki metali mają lepszą pojemność baterii niż grafit, ale są dość niestabilne i mniej przewodzące" - wyjaśnia Kleitz. Naukowcy znaleźli sposób na jak najlepsze wykorzystanie pozytywnych cech obu związków. Opracowali nową rodzinę aktywnych materiałów elektrodowych, opartych na mieszanym tlenku metalu i wysoce przewodzącym i stabilizującym grafenie, wykazującym lepsze właściwości w porównaniu z większością nanostruktur i kompozytów z tlenku metalu przejściowego.

Pierwszym krokiem, opartym na nowo zaprojektowanej procedurze gotowania, naukowcy byli w stanie wymieszać miedź i nikiel w sposób jednorodny i kontrolowany, aby uzyskać mieszany metal. W oparciu o nanokapianie - metodę wytwarzania mezoporowatych materiałów - wytworzyły one strukturyzowane nanoporowate cząstki tlenku mieszanego, które dzięki swojej rozległej sieci porów mają bardzo wysoki obszar aktywnej reakcji do wymiany z jonem litowym z elektrolitu baterii. Następnie naukowcy zastosowali procedurę suszenia rozpyłowego, aby szczelnie owinąć cząstki zmieszanego tlenku metalu cienkimi warstwami grafenu.

Prosty i efektywny projekt

Wykorzystanie akumulatorów litowo-jonowych do e-mobilności jest uważane za problematyczne z punktu widzenia ochrony środowiska, np. Ze względu na ich intensywną produkcję surowcową. Małe baterie, które mogą przechowywać jak najwięcej energii, jak najdłużej i nie są zbyt kosztowne w produkcji, mogą przyspieszyć ich użycie w urządzeniach na dużą skalę. "W porównaniu z istniejącymi podejściami, nasza innowacyjna strategia inżynieryjna dla nowego, wysokowydajnego i długotrwałego materiału anodowego jest prosta i wydajna, jest procesem opartym na wodzie i dlatego jest przyjazna dla środowiska i gotowa do zastosowania na poziomie przemysłowym" autorzy podsumowują

od: Science News