Kaster nyt lys over opladning af lithium-ion-batterier

Forskere ved det amerikanske energiministerium (DOE) Argonne National Laboratory har rapporteret en ny mekanisme til at fremskynde opladningen af ​​lithium-ion-batterier til elektriske køretøjer. Du skal blot udsætte katoden for en stråle af koncentreret lys - f.eks. det hvide lys fra en xenonlampe - sænker batteriets opladningstid med en bemærkelsesværdig faktor på to eller flere. Hvis det kommercialiseres, sådan teknologi kan være en spilskifter for elektriske køretøjer.

Ejere af elektriske køretøjer er godt klar over "afstandsangst", da ladningsniveauet er lavt, eller placeringen af ​​den nærmeste ladestation virker for fjern. Hurtig opladning er fortsat en kritisk udfordring, hvis sådanne køretøjer nogensinde skal fange et stort segment af transportmarkedet. Opladning af en elbil på tom tager typisk cirka otte timer.

Der findes nu særlige superladestationer, der opnår ultrahurtig opladning af elbiler ved at levere en meget højere strøm til batteriet. Går for meget strøm over for kort tid, imidlertid, forringer batteriets ydeevne.

Typisk, lithium-ion-batterier til køretøjer oplades langsomt for at opnå en fuldstændig elektrokemisk reaktion. Denne reaktion indebærer at fjerne lithium fra oxidkatoden og indsætte den i grafitanoden.

"Vi ønskede at forkorte denne ladningsreaktion i høj grad uden at beskadige elektroderne fra den resulterende højere strømstrøm, "sagde Christopher Johnson, Argonne Distinguished Fellow og gruppeleder i divisionen Chemical Sciences and Engineering.

Dagens lithium-ion-batterier fungerer i en mørk tilstand, med elektroderne i en kasse. Argonnes fotoassisterede teknologi ville bruge en gennemsigtig beholder, der tillader koncentreret lys at belyse batteriets elektroder under opladning.

For at undersøge opladningsprocessen, forskergruppen lavede små litiumionceller ("møntceller") med gennemsigtige kvartsvinduer. De testede derefter disse celler med og uden hvidt lys, der skinner gennem vinduet på katoden.

"Vi antog, at under opladning, hvidt lys ville interagere positivt med det typiske katodemateriale, og det viste sig at være tilfældet i vores celletest, "Sagde Johnson. Det katodemateriale er et lithiummanganoxid, forkortet som LiMn ₂ O ₄ (LMO).

Nøgleingrediensen i denne gunstige reaktion er lysets samspil med LMO, et halvledende materiale, der vides at interagere med lys. Mens du absorberer fotoner i lyset under opladning, elementet mangan i LMO ændrer ladningstilstanden fra trivalent til tetravalent (Mn ³⁺ til Mn ⁴⁺ ). Som svar, lithiumioner skubber hurtigere ud fra katoden, end der ville ske uden foton-excitationsprocessen.

Denne tilstand driver batteriets reaktion hurtigere. Teamet fandt ud af, at den hurtigere reaktion resulterede i hurtigere opladning uden at forringe batteriets ydeevne eller cyklens levetid. "Vores celletest viste en faktor på to fald i opladningstiden med lyset tændt, "Sagde Johnson.

Forskerteamet udførte dette arbejde som en del af Center for Elektrokemisk Energi Videnskab (CEES), et DOE Energy Frontier Research Center (EFRC) ledet af Argonne.

"Denne forskning er et godt eksempel på, hvordan CEES 'mål om at forstå elektrodeprocesserne i lithium-ion-batterier muliggør vigtige fremskridt, der påvirker teknologi, "sagde Paul Fenter, CEES -direktør og seniorfysiker i afdelingen Chemical Sciences and Engineering. "Dette er et symbol på de transformerende virkninger, som EFRC -programmet kan opnå."

Johnson tilføjede, at "Dette fund er det første af sin art, hvor lys- og batteriteknologier fusioneres, og dette kryds lover godt for fremtiden for innovative opladningskoncepter til batterier. "

Vehicle Technologies Office på DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy har identificeret hurtigopladning som en kritisk udfordring for at sikre masseadoption af elektriske køretøjer med et mål på 15 minutter. genopladningstid, og denne forskning kan være en nøgle til at gøre dette muligt.

Denne forskning optrådte i Naturkommunikation , med titlen "Foto-accelereret hurtig opladning af lithium-ion-batterier."