Forskning i lithium-ilt-batterier kan øge ydeevnen af ​​elektronik, biler

Træt af at skulle tilslutte din telefon hver aften? Hjælpen er måske på vej.

Ny forskning ved University of Kansas kan give længerevarende batterier til de fleste forbrugerelektronik og elektroniske køretøjer i de kommende år.

I dag, de fleste amerikanere ejer elektroniske enheder drevet af genopladelige lithium-ion-batterier og nogle kører biler drevet af lithium-ion-batteriteknologi. Men lithium-ion-batterier har ulemper, ligesom behovet for regelmæssig genopladning.

"Alle vil have bedre batterier til telefoner, elektronik og biler, " sagde Xianglin Li, adjunkt i maskinteknik. "Det nuværende lithium-ion batteri, som bruges overalt, har ikke nok energitæthed - du skal oplade din telefon hver dag."

For nylig, Li tjente nye $219, 312, to-årig bevilling fra National Science Foundation til at skubbe banebrydende lithium-ilt-batterier frem. Han sagde, at lithium-ilt-batterier repræsenterer den mest lovende batteriplatform til at træde i stedet for lithium-ion.

"Den forskning, vi laver på lithium-iltbatteriet, repræsenterer den næste generation af energilagring, " sagde han. "Teoretisk set, den har omkring en størrelsesorden højere lagerkapacitet end lithium-ion. Så, hvis du skifter til dette i fremtiden, du behøver kun at oplade din telefon en gang om ugen. Der er konkurrerende teknologier som zink-luft- eller lithium-svovl-batterier, men lithium-ilt er klart den med den højeste kapacitet, så det har en stor fordel."

Mens lithium-ilt-batterier lover meget større energilagringskapacitet, deres mangel er en manglende evne til at aflade energi lige så hurtigt som lithium-ion-batterier. Indtil denne ulempe er overvundet, lithium-oxygen batteriteknologi vil forblive i laboratorieforskningsstadiet, ifølge KU-efterforskeren.

"Problemet er, at lithium-ilt har lav strømtæthed - det varer længe, men du får ikke meget magt, " sagde Li. "Hvis du bruger lithium-ilt-batterier til en elbil, du kunne køre 500 miles, men du kan ikke accelerere særlig hurtigt. Det er ikke særlig sjovt at køre nogle få kilometer i timen. Så vidt jeg ved, næsten alle lithium-ilt-batterier er stadig i forskningsfasen, og teknologien har endnu ikke et særlig stort marked. Ydeevne, stabilitet og levetid er alle problemer for lithium-ilt-batterier nu. Men i 70'erne og 80'erne, lithium-ion-batterier havde lignende problemer."

Med sin nye NSF-bevilling, Li håber at udvikle teknologi til at øge den nuværende tæthed af lithium-oxygen-batterier for at gøre dem mere praktiske. Han vil arbejde i X-ray Computed Tomography Facility på Carnegie Mellon University, samarbejder med Shawn Litster.

"Vores mål er at øge styrken af ​​lithium-ilt-batterier med en størrelsesorden, mens vi har den avancerede energitæthed, " sagde Li.

Li og Litster vil fokusere på at forstå og forbedre funktionen af ​​lithium-ilt-batteriets iltelektrode. Li sagde, at lithium-iltbatterier skal absorbere ilt fra luften gennem porer på nanoskala for at lette reaktioner. Så, den elektrokemiske ydeevne af lithium-ilt-batterier afhænger af væske-gas to-fase flowet ved elektrodens poreskala. Forskerne sigter mod bedre at forstå poreskalatransporten af ​​batterielektroderne styret af porestørrelsen, struktur, tilslutning og fugtbarhed.

"Shawn Litster hos Carnegie Mellon har en unik enhed til at måle morfologier på nanoskala - teknologi, der er som en CT-scanning på et hospital, men med meget høj opløsning ned til 20-30 nanometer opløsning, "Li sagde. "Vi ønsker at måle lithium-oxygen batteri elektroder og forstå, hvordan vi kan overføre ilt bedre med et forbedret design. Batteriet skal absorbere ilt fra luften, så hvis vi ikke tilfører ilt hurtigt nok, kraften vil være begrænset. Vi vil bruge hans facilitet sammen med vores avancerede modeller og teorier til at forsøge at designe en højtydende batterielektrode - og forhåbentlig har vi en prototype til laboratoriedemonstration."

Undersøgelsen vil fokusere på at forbedre iltens træge masseoverførsel i batterielektroder.

"Batterier er elektrokemiske enheder, hvor du ønsker en høj reaktionshastighed - og det eneste sted, reaktionen kan ske, er i elektrode- og elektrolytgrænsefladen, " sagde Li. "Vi er nødt til at skabe et så højt overfladeareal som muligt ved hjælp af nanomaterialer, men masseoverførsel vil være meget langsom, fordi nanoporer har højere modstand. I et lithium-ilt batteri, elektrolytten er flydende, og masseoverførslen gennem væske er meget langsom sammenlignet med luft. Et eksempel er, at du ikke kan trække vejret gennem et stykke papir, der er gennemvædet med vand, på grund af den høje vandmodstand mod iltoverførsel. Det er det samme tilfælde for en flydende elektrolyt, så vi ønsker at skabe gasfasen i vores elektrode for at lette iltoverførslen."

Li sagde, at projektet har potentialet til at resultere i en patenteret teknologi, der kan skubbe forskning og adoption af lithium-ilt-teknologien frem i de kommende år. Forskerne planlægger at danne potentielle partnerskaber med den lokale industri og nå ud til offentligheden gennem Kansas City STEM Alliance.

Derudover bevillingsarbejdet skal understøtte uddannelsen af ​​to KU-kandidatstuderende.

"Jeg har lige nu en ph.d.-studerende, som jeg tror vil slutte sig til mig til sommer for at komme til CMU, " sagde Li. "Det er en fantastisk træningsoplevelse. Han bliver færdig senere i år, og næste år vil der være endnu en kandidatstuderende - så jeg vil træne to forskellige studerende i løbet af dette projekt."