Lithium-ion-batterimateriale bryder barrieren ved hurtig opladning

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory og University of Tennessee, Knoxville, opdagede et nøglemateriale, der er nødvendigt til hurtigopladning af lithium-ion-batterier. Den kommercielt relevante tilgang åbner en potentiel vej til at forbedre opladningshastigheden for elektriske køretøjer.

Lithium-ion-batterier, eller LIB'er, spiller en væsentlig rolle i landets portefølje af rene energiteknologier. De fleste hybride elektriske og helelektriske køretøjer bruger LIB'er. Disse genopladelige batterier giver fordele med hensyn til pålidelighed og effektivitet, fordi de kan lagre mere energi, oplade hurtigere og holde længere end traditionelle bly-syre-batterier. Teknologien er dog stadig under udvikling, og der er behov for grundlæggende fremskridt for at opfylde prioriteterne for at forbedre omkostningerne, rækkevidden og ladetiden for batterier til elektriske køretøjer.

"At overkomme disse udfordringer vil kræve fremskridt inden for materialer, der er mere effektive, og syntesemetoder, der er skalerbare til industrien," sagde ORNL Corporate Fellow og tilsvarende forfatter Sheng Dai.

Resultater offentliggjort i Advanced Energy Materials demonstrere et nyt hurtigtopladet batterianodemateriale opnået ved at bruge en skalerbar syntesemetode. Holdet opdagede en ny forbindelse af molybdæn-wolfram-niobat, eller MWNO, med hurtig genopladelighed og høj effektivitet, der potentielt kunne erstatte grafit i kommercielle batterier.

I årtier har grafit været det bedste materiale, der blev brugt til at fremstille LIB-anoder. I grundlæggende batteridesign er to solide elektroder - en positiv anode og en negativ katode - forbundet med en elektrolytopløsning og en separator. I LIB'er bevæger lithiumioner sig frem og tilbage mellem katoden og anoden for at lagre og frigive energi, der driver enheder. En udfordring for grafitanoder er, at elektrolytten nedbrydes og danner en ophobning på anodeoverfladen under opladningsprocessen. Denne opbygning sænker bevægelsen af ​​lithium-ioner og kan begrænse batteriets stabilitet og ydeevne.

"På grund af denne træge lithium-ion-bevægelse ses grafitanoder som en vejspærring for ekstrem hurtig opladning. Vi leder efter nye, billige materialer, der kan udkonkurrere grafit," siger ORNL postdoc-forsker og førsteforfatter Runming Tao. DOE's ekstreme hurtigopladningsmål for elektriske køretøjer er sat til 15 minutter eller mindre for at konkurrere med brændstoftider på gasdrevne køretøjer, en milepæl, der ikke er blevet indfriet med grafit.

"Vores tilgang fokuserer på ikke-grafitmaterialer, men disse har også begrænsninger. Nogle af de mest lovende materialer - niobium-baserede oxider - har komplicerede syntesemetoder, der ikke er velegnede til industrien," sagde Tao.

Konventionel syntese af niobiumoxider såsom MWNO er ​​en energikrævende proces over åben ild, der også genererer giftigt affald. Et praktisk alternativ kunne skubbe MWNO-materialer til at blive seriøse kandidater til avancerede batterier. Forskere henvendte sig til den veletablerede sol-gel-proces, kendt for sikkerhed og enkelhed. I modsætning til konventionel højtemperatursyntese er sol-gel-processen en lavtemperatur-kemisk metode til at omdanne en flydende opløsning til et fast eller gelmateriale og bruges almindeligvis til fremstilling af glas og keramik.

Holdet forvandlede en blanding af ionisk væske og metalsalte til en porøs gel, der blev behandlet med varme for at forbedre materialets endelige egenskaber. Lavenergistrategien gør det også muligt at genvinde og genbruge det ioniske flydende opløsningsmiddel, der bruges som skabelon for MWNO.

"Dette materiale fungerer ved en højere spænding end grafit og er ikke tilbøjeligt til at danne det, der kaldes et "passiveringsfast elektrolytlag", der sænker lithium-ion-bevægelsen under opladning. Dets exceptionelle kapacitet og hurtige opladningshastighed kombineret med en skalerbar syntesemetode, gør den til en attraktiv kandidat til fremtidige batterimaterialer," sagde Tao.

Nøglen til materialets succes er en nanoporøs struktur, der giver forbedret elektrisk ledningsevne. Resultatet giver mindre modstand mod bevægelse af lithiumioner og elektroner, hvilket muliggør hurtig genopladning.

"Undersøgelsen opnår en skalerbar syntesemetode for et konkurrencedygtigt MWNO-materiale samt giver grundlæggende indsigt i fremtidigt design af elektrodematerialer til en række forskellige energilagringsenheder," sagde Dai. + Udforsk yderligere

Forskere opdager en innovativ tilgang til fremstilling af nye lithium-ion-batterimaterialer