Turbolader til lithium batterier

Et hold af materialeforskere fra Juelich, München, og det er lykkedes Prag at fremstille et kompositmateriale, der er særligt velegnet til elektroder i lithiumbatterier. Nanokompositmaterialet kan være med til at øge batteriernes lagerkapacitet og levetid betydeligt såvel som deres opladningshastighed. Forskerne har offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Avancerede funktionelle materialer .

Lithium-ion-batterier er det ultimative benchmark, når det kommer til mobiltelefoner, tablet-enheder, og elbiler. Deres lagerkapacitet og effekttæthed er langt bedre end andre genopladelige batterisystemer. På trods af de seneste fremskridt, imidlertid, smartphone-batterier holder kun en dag, og elbiler har brug for timer for at blive genopladet. Forskere arbejder derfor på måder at forbedre strømtætheden og opladningshastigheden for all-round batterier. "En vigtig faktor er anodematerialet, " forklarer Dina Fattakhova-Rohlfing fra Institut for Energi- og Klimaforskning (IEK-1).

"I princippet, anoder baseret på tindioxid kan opnå meget højere specifikke kapaciteter, og derfor lagre mere energi, end de carbonanoder, der anvendes i øjeblikket. De har evnen til at absorbere flere lithiumioner, " siger Fattakhova-Rohlfing. "Rent tinoxid, imidlertid, udviser meget svag cyklusstabilitet - batteriernes opbevaringsevne falder støt, og de kan kun genoplades et par gange. Anodens volumen ændres med hver opladnings- og afladningscyklus, hvilket fører til, at det smuldrer."

En måde at løse dette problem på er hybridmaterialer eller nanokompositter - kompositmaterialer, der indeholder nanopartikler. Forskerne udviklede et materiale bestående af tinoxidnanopartikler beriget med antimon, på et basislag af grafen. Grafengrundlaget hjælper med materialets strukturelle stabilitet og ledningsevne. Tinoxidpartiklerne er mindre end tre nanometer i størrelse – med andre ord mindre end tre milliontedele af en millimeter – og er direkte "vokset" på grafenet. Partiklens lille størrelse og dens gode kontakt med grafenlaget forbedrer også dens tolerance over for volumenændringer - lithiumcellen bliver mere stabil og holder længere.

Tre gange mere energi på en time

"Berigelse af nanopartiklerne med antimon sikrer, at materialet er ekstremt ledende, " forklarer Fattakhova-Rohlfing. "Dette gør anoden meget hurtigere, hvilket betyder, at den kan lagre halvanden gange mere energi på bare et minut, end det ville være muligt med konventionelle grafitanoder. Den kan endda lagre tre gange mere energi til den sædvanlige opladningstid på en time."

"Så høje energitætheder blev kun tidligere opnået med lave opladningshastigheder, " siger Fattakhova-Rohlfing. "Hurtigere opladningscyklusser førte altid til en hurtig reduktion i kapaciteten." De antimon-doterede anoder udviklet af forskerne, imidlertid, bevarer 77 % af deres oprindelige kapacitet, selv efter 1, 000 cyklusser.

"Nanokomposit-anoderne kan fremstilles på en nem og omkostningseffektiv måde. Og de anvendte koncepter kan også bruges til design af andre anodematerialer til lithium-ion-batterier, " forklarer Fattakhova-Rohlfing. "Vi håber, at vores udvikling vil bane vejen for lithium-ion-batterier med en markant øget energitæthed og meget kort opladningstid."