Ny klasse af materialer kunne bruges til at lave batterier, der oplades hurtigere

Forskere har identificeret en gruppe materialer, der kunne bruges til at lave batterier med endnu højere effekt. Forskerne, fra University of Cambridge, brugte materialer med en kompleks krystallinsk struktur og fandt ud af, at lithiumioner bevæger sig gennem dem med hastigheder, der langt overstiger typiske elektrodematerialer, hvilket svarer til et meget hurtigere opladet batteri.

Selvom disse materialer, kendt som niobium wolframoxider, ikke resultere i højere energitætheder, når det bruges under typiske cyklushastigheder, de kommer til deres ret til hurtigopladningsapplikationer. Derudover deres fysiske struktur og kemiske adfærd giver forskerne en værdifuld indsigt i, hvordan en sikker, superhurtigt opladningsbatteri kunne konstrueres, og foreslår, at løsningen på næste generations batterier kan komme fra ukonventionelle materialer. Resultaterne er rapporteret i journalen Natur .

Mange af de teknologier, vi bruger hver dag, er blevet mindre, hurtigere og billigere hvert år – med den bemærkelsesværdige undtagelse af batterier. Bortset fra muligheden for en smartphone, der kan lades helt op på få minutter, udfordringerne forbundet med at lave et bedre batteri holder den udbredte anvendelse af to store rene teknologier tilbage:elbiler og netlager til solenergi.

"Vi leder altid efter materialer med høj batteriydelse, hvilket ville resultere i en meget hurtigere opladning og også kunne levere høj effekt, " sagde Dr. Kent Griffith, en postdoc-forsker i Cambridge's Department of Chemistry og papirets første forfatter.

I deres enkleste form, batterier er lavet af tre komponenter:en positiv elektrode, en negativ elektrode og en elektrolyt. Når et batteri oplades, lithiumioner udvindes fra den positive elektrode og bevæger sig gennem krystalstrukturen og elektrolytten til den negative elektrode, hvor de opbevares. Jo hurtigere denne proces sker, jo hurtigere kan batteriet oplades.

I jagten på nye elektrodematerialer, forskere forsøger normalt at gøre partiklerne mindre. "Ideen er, at hvis du gør den afstand, lithium-ionerne skal rejse kortere, det burde give dig en højere ydelse, " sagde Griffith. "Men det er svært at lave et praktisk batteri med nanopartikler:du får mange flere uønskede kemiske reaktioner med elektrolytten, så batteriet holder ikke så længe, og det er dyrt at lave."

"Nanopartikler kan være vanskelige at lave, Derfor leder vi efter materialer, der i sagens natur har de egenskaber, vi leder efter, selv når de bruges som partikler i forholdsvis store mikronstørrelser. Det betyder, at du ikke skal igennem en kompliceret proces for at lave dem, hvilket holder omkostningerne nede, " sagde professor Clare Grey, også fra Kemisk Institut og avisens seniorforfatter. "Nanopartikler er også udfordrende at arbejde med på et praktisk niveau, da de har tendens til at være ret "fluffy", så det er svært at pakke dem tæt sammen, hvilket er nøglen til et batteris volumetriske energitæthed."

Niobium wolframoxiderne, der anvendes i det nuværende arbejde, har en stiv, åben struktur, der ikke fanger det indsatte lithium, og har større partikelstørrelser end mange andre elektrodematerialer. Griffith spekulerer i, at grunden til, at disse materialer ikke har fået opmærksomhed tidligere, er relateret til deres komplekse atomarrangementer. Imidlertid, han foreslår, at den strukturelle kompleksitet og blandingsmetalsammensætning er selve grunden til, at materialerne udviser unikke transportegenskaber.

"Mange batterimaterialer er baseret på de samme to eller tre krystalstrukturer, men disse niobium wolframoxider er fundamentalt forskellige, " sagde Griffith. Oxiderne holdes åbne af 'søjler' af ilt, som gør det muligt for lithium-ioner at bevæge sig gennem dem i tre dimensioner. "Oiltsøjlerne, eller forskydningsfly, gøre disse materialer mere stive end andre batteriforbindelser, så det, plus deres åbne strukturer betyder, at flere lithiumioner kan bevæge sig gennem dem, og langt hurtigere."

Ved at bruge en teknik kaldet pulsed field gradient (PFG) nuklear magnetisk resonans (NMR) spektroskopi, som ikke let påføres batterielektrodematerialer, forskerne målte bevægelsen af ​​lithium-ioner gennem oxiderne, og fandt, at de bevægede sig med hastigheder flere størrelsesordener højere end typiske elektrodematerialer.

De fleste negative elektroder i nuværende lithium-ion-batterier er lavet af grafit, som har en høj energitæthed, men når de opkræves til høje takster, har tendens til at danne spinkle lithiummetalfibre kendt som dendritter, som kan skabe kortslutning og få batterierne til at gå i brand og eventuelt eksplodere.

"I højhastighedsapplikationer, sikkerhed er et større problem end under nogen andre driftsforhold, " sagde Grey. "Disse materialer, og potentielt andre som dem, ville bestemt være værd at se på for hurtigopladningsapplikationer, hvor du har brug for et mere sikkert alternativ til grafit."

Ud over deres høje lithiumtransporthastigheder, niobium wolframoxiderne er også nemme at lave. "Mange af nanopartikelstrukturerne tager flere trin for at syntetisere, og du ender kun med en lille mængde materiale, så skalerbarhed er et reelt problem, " sagde Griffith. "Men disse oxider er så nemme at lave, og kræver ikke yderligere kemikalier eller opløsningsmidler."

Selvom oxiderne har fremragende lithiumtransporthastigheder, de fører til en lavere cellespænding end nogle elektrodematerialer. Imidlertid, driftsspændingen er gavnlig for sikkerheden, og de høje lithiumtransporthastigheder betyder, at når man cykler hurtigt, den praktiske (brugelige) energitæthed af disse materialer forbliver høj.

Selvom oxiderne muligvis kun er egnede til visse applikationer, Gray siger, at det vigtige er at blive ved med at lede efter ny kemi og nye materialer. "Felter stagnerer, hvis du ikke bliver ved med at lede efter nye forbindelser, " siger hun. "Disse interessante materialer giver os et godt indblik i, hvordan vi kan designe elektrodematerialer med højere hastighed."