Ny opdagelse gør hurtigopladning, bedre ydende lithium-ion-batterier muligt

Det er muligt at skabe et lithium-ion-batteri, der kan oplades på få minutter, men som stadig fungerer med høj kapacitet, ifølge forskning fra Rensselaer Polytechnic Institute netop offentliggjort i Naturkommunikation . Denne udvikling har potentiale til at forbedre batteriydelsen til forbrugerelektronik, opbevaring af solceller, og elbiler.

Et lithium-ion-batteri oplades og aflades, når lithium-ioner bevæger sig mellem to elektroder, kaldet en anode og en katode. I et traditionelt lithium-ion batteri, anoden er lavet af grafit, mens katoden er sammensat af lithium cobaltoxid.

Disse materialer fungerer godt sammen, derfor er lithium-ion-batterier blevet mere og mere populære, men forskere ved Rensselaer mener, at funktionen kan forbedres yderligere.

"Måden til at gøre batterier bedre er at forbedre de materialer, der bruges til elektroderne, " sagde Nikhil Koratkar, professor i mekanisk, rumfart, og atomteknik hos Rensselaer, og tilsvarende forfatter til papiret. "Det, vi forsøger at gøre, er at gøre lithium-ion-teknologien endnu bedre i ydeevne."

Koratkars omfattende forskning i nanoteknologi og energilagring har placeret ham blandt de mest citerede forskere i verden. I dette seneste værk, Koratkar og hans hold forbedrede ydeevnen ved at erstatte koboltoxid med vanadiumdisulfid (VS ₂ ).

"Det giver dig højere energitæthed, fordi det er let. Og det giver dig hurtigere opladning, fordi det er meget ledende. Fra de synspunkter, vi var tiltrukket af dette materiale, " sagde Koratkar, der også er professor ved Institut for Materialevidenskab og Teknik.

Spænding omkring potentialet i VS ₂ er vokset i de senere år, men indtil nu, Koratkar sagde, forskere var blevet udfordret af dens ustabilitet - en egenskab, der ville føre til kort batterilevetid. Rensselaer-forskerne konstaterede ikke kun, hvorfor denne ustabilitet opstod, men også udviklet en måde at bekæmpe det på.

Holdet, som også omfattede Vincent Meunier, leder af Institut for Fysik, Anvendt fysik, og astronomi, og andre, fastslået, at lithiumindsættelse forårsagede en asymmetri i afstanden mellem vanadiumatomer, kendt som Peierls forvrængning, som var ansvarlig for opløsningen af ​​VS ₂ flager. De opdagede, at de dækkede flagerne med en nanolagsbelægning af titandisulfid (TiS ₂ ) - et materiale, der ikke Peierls forvrænger - ville stabilisere VS ₂ flager og forbedre deres ydeevne i batteriet.

"Dette var nyt. Folk havde ikke indset, at dette var den underliggende årsag, " sagde Koratkar. "TiS ₂ coating fungerer som et bufferlag. Det holder VS ₂ materiale sammen, yder mekanisk støtte."

Da problemet var løst, holdet fandt, at VS ₂ -TiS ₂ elektroder kan fungere ved en høj specifik kapacitet, eller opbevare en masse ladning pr. masseenhed. Koratkar sagde, at vanadium og svovls lille størrelse og vægt giver dem mulighed for at levere en høj kapacitet og energitæthed. Deres lille størrelse ville også bidrage til et kompakt batteri.

Når opladningen blev foretaget hurtigere, Koratkar sagde, kapaciteten faldt ikke så markant, som den ofte gør med andre elektroder. Elektroderne var i stand til at opretholde en rimelig kapacitet pga. i modsætning til koboltoxid, VS ₂ -TiS ₂ materialet er elektrisk ledende.

Koratkar ser flere anvendelser for denne opdagelse i at forbedre bilbatterier, strøm til bærbar elektronik, og lagring af solenergi, hvor høj kapacitet er vigtig, men øget opladningshastighed ville også være attraktivt.