At lave mere sikre og kraftfulde lithium-ion-batterier kræver den rigtige opskrift

Et team fra Purdue University har offentliggjort forskning, der undersøger forholdet mellem de aktive og inaktive elementer i lithium-ion-batterier, og hvordan mikro- og nanostrukturen for deres respektive ingredienser afspejler batteriernes ydeevne og sikkerhed.

Undersøgelsen blev for nylig omtalt på forsiden af ​​tidsskriftet ACS -anvendte materialer og grænseflader .

"Genopladelige batterier er overalt, "sagde Partha Mukherjee, lektor i maskinteknik, og hovedforsker af forskningen. "Vi har sandsynligvis to eller tre bærbare elektronikker med os hele tiden. Men interaktionerne mellem de forskellige elementer i selve batteriet er stadig ikke klart forstået. Min forskning håber at kunne bygge bro over dette hul."

I Mukherjees laboratorium, Energy and Transport Sciences Laboratory (ETSL), forskere undersøger alle former for energitransport og -lagring, herunder batterier og brændselsceller. De bruger computermodellering til at foreslå nye konfigurationer af de involverede bestanddele og derefter teste forskellige fænomener i laboratoriet.

"Det er som at bage en kage, "sagde Aashutosh Mistry, en ph.d. kandidat i maskinteknik. "Hvor meget dej skal du bruge? Hvor meget kirsebær skal du putte i, så det smager godt? På samme måde, vi ser på de grundlæggende proportioner, eller opskriften, af disse batterielektroder. Alt, hvad du ændrer på mikroskalaen, ender med at påvirke den samlede ydelse. "

"Lad os tage elektriske køretøjer, for eksempel, "sagde Mukherjee." Folk er interesserede i tre ting. Ydeevne:hvor hurtigt kan jeg køre i min bil? Livet:hvor lang tid kan jeg køre i min bil, før jeg oplader den? Og endelig, sikkerhedsproblemer. Vi har set disse batterier svigte offentligt, på spektakulære måder, eksploderer i smartphones og elbiler. Så, alle tre af disse aspekter - ydeevne, liv, og sikkerhed - er meget vigtige. Det kan være en vanskelig balance at få det hele til at passe. "

Nogle gange arbejder deres laboratorium på at genskabe de spektakulære fiaskoer med vilje. I en typisk elbil, batterierne er ikke en massiv enhed, men tusinder af individuelle celler blev forbundet. Hvis en mislykkes, hvad sker der med de andre i nærheden? For en test, et prøvemodul på 24 celler (omtrent på størrelse med en mursten) blev med vilje overladt. En celle eksploderede, hvilket førte til en kædereaktion, hvor alle cellerne brændte.

"Temperaturen og trykket inde i en celle blev så højt, det smeltede metalhuset, der tog ild, "sagde ph.d. -kandidat Daniel Robles, da han holdt en plastpose af de forkullede rester. "I en elbil, der er flere tusinde af disse celler, og disse er placeret under dit sæde! Derfor er det vigtigt at forstå det grundlæggende i disse fænomener, så vi kan forhindre, at det sker. "

Genopladelige batterier indeholder typisk en positiv elektrode og en negativ elektrode, bestående af "aktivt materiale" til opbevaring af lithium. Mellem de to elektroder er der en separator, og der er flydende elektrolyt overalt, at transportere litiumioner. Endelig, en kombination af elektrokemisk inaktive materialer, såsom ledende tilsætningsstoffer og bindemidler (kaldet "sekundærfasen") hjælper med at forme de fysiske ingredienser i de sammensatte porøse elektroder og forbedre den elektriske ledningsevne. I den publicerede forskning, Mukherjee og hans team undersøger forholdet mellem det aktive materiale og den sekundære fase på mikro- og nanoskalaen- porøsiteten, de fysiske former, og deres interaktion med hinanden. Ændring af nogen af ​​disse egenskaber resulterer i betydelige ændringer i batteriets samlede ydelse.

"Vi er stadig på en begyndende fase med at forstå disse komplekse interaktioner, "Sagde Mukherjee." Men det er nøglen til vores forskning. Vi forbinder det, der sker i mikro- og nanoskalaen, med batteriets ydeevne, liv, og sikkerhed. "

Og efterhånden som genopladelige batterier bliver mere udbredte, deres forskning bliver endnu mere vital. "Batterier bruges overalt, fra bærbar elektronik til køretøjer, og endda i store elektriske net. Dette er en fantastisk og spændende tid til at forske i energilagring. "