Ny tilgang kan øge litiumbatteriers energikapacitet

Forskere over hele kloden har været på jagt efter batterier, der fylder meget, men som er mindre og lettere end nutidens versioner, muligvis muliggør elbiler til at rejse længere eller bærbar elektronik til at køre længere uden genopladning. Nu, forskere ved MIT og i Kina siger, at de har gjort et stort fremskridt på dette område, med en ny version af en nøglekomponent til lithium-batterier, katoden.

Holdet beskriver deres koncept som en "hybrid" katode, fordi den kombinerer aspekter af to forskellige tilgange, der er blevet brugt før, en for at øge energiproduktionen pr. pund (gravimetrisk energitæthed), den anden for energien pr. liter (volumetrisk energitæthed). Den synergistiske kombination, de siger, producerer en version, der giver fordelene ved begge, og mere.

Arbejdet er beskrevet i dag i journalen Naturenergi , i et papir af Ju Li, en MIT -professor i nuklear videnskab og teknik og i materialevidenskab og teknik; Weijiang Xue, en MIT postdoc; og 13 andre.

Dagens lithium-ion-batterier har en tendens til at bruge katoder (en af ​​de to elektroder i et batteri) lavet af et overgangsmetaloxid, men batterier med katoder lavet af svovl betragtes som et lovende alternativ til at reducere vægten. I dag, designerne af lithium-svovlbatterier står over for en afvejning.

Katoderne af sådanne batterier er normalt lavet på en af ​​to måder, kendt som intercalationstyper eller konverteringstyper. Interkalationstyper, som bruger forbindelser som lithium cobaltoxid, giver en høj volumetrisk energitæthed - pakker en masse slag pr. volumen på grund af deres høje densiteter. Disse katoder kan bevare deres struktur og dimensioner, mens de inkorporerer lithiumatomer i deres krystallinske struktur.

Den anden katodemetode, kaldet konverteringstypen, bruger svovl, der transformeres strukturelt og endda midlertidigt opløses i elektrolytten. "Teoretisk set disse [batterier] har en meget god gravimetrisk energitæthed, " siger Li. "Men den volumetriske tæthed er lav, "delvis fordi de har en tendens til at kræve en masse ekstra materialer, inklusive et overskud af elektrolyt og kulstof, bruges til at give ledningsevne.

I deres nye hybridsystem, forskerne har formået at kombinere de to tilgange til en ny katode, der inkorporerer både en type molybdænsulfid kaldet Chevrel-fase, og rent svovl, som tilsammen ser ud til at give de bedste aspekter af begge. De brugte partikler af de to materialer og komprimerede dem for at lave den faste katode. "Det er som primeren og TNT i et eksplosiv, en hurtigtvirkende, og en med højere energi pr. vægt, "Siger Li.

Blandt andre fordele, den elektriske ledningsevne af det kombinerede materiale er relativt høj, dermed reducere behovet for kulstof og sænke det samlede volumen, Siger Li. Typiske svovlkatoder består af 20 til 30 procent kulstof, han siger, men den nye version behøver kun 10 procent kulstof.

Nettoeffekten af ​​at bruge det nye materiale er betydelig. Nutidens kommercielle lithium-ion-batterier kan have energitætheder på omkring 250 watt-timer pr. kilogram og 700 watt-timer pr. liter, der henviser til, at lithium-svovlbatterier fylder op med cirka 400 watt-timer pr. kilogram, men kun 400 watt-timer pr. liter. Den nye version, i sin oprindelige version, der endnu ikke har gennemgået en optimeringsproces, kan allerede nå mere end 360 watt-timer pr. kilogram og 581 watt-timer pr. liter, Siger Li. Det kan slå både lithium-ion- og lithium-svovl-batterier med hensyn til kombinationen af ​​disse energitætheder.

Med videre arbejde, han siger, "Vi tror, ​​vi kan nå op på 400 watt-timer per kilogram og 700 watt-timer per liter, "med sidstnævnte figur svarende til lithium-ion. Allerede nu, holdet er gået et skridt videre end mange laboratorieeksperimenter med det formål at udvikle en storskala batteriprototype:I stedet for at teste små møntceller med en kapacitet på kun adskillige milliamperetimer, de har produceret en tre-lags pose celle (en standard underenhed i batterier til produkter som elektriske køretøjer) med en kapacitet på mere end 1, 000 milliampere. Dette kan sammenlignes med nogle kommercielle batterier, hvilket angiver, at den nye enhed matcher dens forudsagte egenskaber.

Indtil nu, den nye celle kan ikke helt leve op til lithium-ion-batteriers levetid, hvad angår antallet af ladningsafladningscyklusser, den kan gennemgå, før den mister for meget strøm til at være nyttig. Men den begrænsning er "ikke katodens problem"; det har at gøre med det overordnede celledesign, og "vi arbejder på det, " siger Li. Selv i sin nuværende tidlige form, han siger, "Dette kan være nyttigt for nogle niche -applikationer, som en drone med lang rækkevidde, "hvor både vægt og volumen betyder mere end levetid.

"Jeg tror, ​​det er en ny arena for forskning, "Siger Li.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.