Tager ansvaret:Forskere går sammen om at lave bedre batterier

Et forskningshold fra Florida State University og Cornell University fandt ud af, at batterier bygget af billige og sikre komponenter kan levere tre til fire gange så meget kraft som batterier bygget med nutidens avancerede lithium-ion-teknologi.

Forskernes arbejde offentliggøres i dag i Naturkommunikation .

A. Nijamudheen, en postdoktor ved FAMU-FSU College of Engineering, og Snehashis Choudhury, en ph.d.-studerende ved Cornell University, sammen med fakultetsmedlemmer på begge institutioner i gang med en ambitiøs undersøgelse af, hvad der hæmmer det nuværende batteridesign, og hvordan det kan forbedres.

"Hvis man ser på prisen på batterier over tid, det er ikke overraskende at se, at vektoren konsekvent peger opad, "Choudhury sagde. "Bredt baseret indførelse af teknologier, der kræver batterier, kræver lavere omkostninger."

Med håbet om at få disse omkostninger ned, forskere tacklede nogle få specifikke problemer relateret til elektrolytter, en kritisk del af et batteris konstruktion, der fremmer bevægelsen af ​​ioner fra den ene elektrode til den anden.

Holdene satte sig for at forstå de kemiske veje, hvorved elektrolytter nedbrydes ved batterielektroderne. Forskerne identificerede ikke kun mekanismerne for, hvordan elektrolytterne nedbrydes, de opdagede også flere strategier til at afhjælpe problemet.

"Vi opdagede, at styring af de ioniske egenskaber af interfaserne dannet ved den negative elektrode er nøglen, " sagde Nijamudheen.

Ved hjælp af kvanteberegninger, Nijamudheen og hans rådgiver, FAMU-FSU adjunkt i kemiteknik Jose Mendoza-Cortes, fandt ud af, at problemet stammer fra den måde, hvorpå en komponent af elektrolytterne kaldet diglyme undergår polymerisering. Polymerisering er en proces, hvor molekyler kombineres kemisk for at producere et langkædelignende molekyle kaldet en polymer.

I tilfælde af batterier, elektrolytter bryder ofte fra hinanden og dannes igen for at skabe meget større molekyler efter langvarig kontakt med både de negative og positive elektroder i et batteri.

"Mens nedbrydningsprocessen i sig selv er harmløs, dets biprodukter blokerer ioner for at få adgang til batteriets elektroder, som over tid reducerer mængden af ​​lagret energi, end der kan genvindes fra et batteri, " sagde Lynden Archer, en Cornell University professor og Choudhurys rådgiver.

Imidlertid, mens nogle typer polymerer, der er resultatet af denne proces, vil blokere ioner i at nå elektroderne, andre har vist sig effektive til at forlænge batteriets levetid.

Med deres polymerisationsberegninger i hånden, forskerne begyndte at undersøge andre typer elektrolytter, hvor polymerisationsprocessen ikke ville hæmme batteriets ydeevne.

Typisk, lithium batterier er lavet med organiske karbonat elektrolytter, men disse elektrolytter er meget brandfarlige. Dyr termisk reguleringsinfrastruktur, der sørger for køling af overophedede battericeller, er derfor obligatorisk for at reducere risikoen for termisk løb og batteribrande.

Forskerne testede i stedet en lithium-nitratelektrolyt, en stabil elektrolyt, der ikke var brændbar.

Ved hjælp af den elektrolyt, forskerne begyndte at køre eksperimenter på den faste elektrolyt-interfase eller SEI. SEI er et beskyttende lag dannet på den negative elektrode som et resultat af elektrolytnedbrydning, normalt under et batteris første cyklus.

"Når du har et godt SEI, du har et godt batteri, " sagde Mendoza-Cortes, som også er adjunkt ved Ingeniørhøjskolen FAMU-FSU. "Ideen er at finde en elektrolyt og opløsningsmiddel, der kan danne et SEI, der kan være stabilt og spiller til din fordel."

Forskerne konstruerede en ny type SEI, der dannes spontant i en battericelle ved hjælp af offersalt eller molekylære arter introduceret via elektrolytterne. De introducerede også kædeoverførselsmidler - en række molekyler - der interagerede med diglymet for at danne et skjold, der beskytter den negativt ladede elektrode mod nedbrydning.

For at evaluere effektiviteten af ​​designet, forskerholdet udførte en række eksperimenter på batteriets evne til at blive brugt og derefter genopladet. De fandt ud af, at det kunne gå igennem omkring 2, 000 cykler, langt over de konventionelle 300 til 500 opladningscyklusser, der er forbundet med de fleste lithium-ion-batterier.

"Med denne proces, vi kunne få en effektivitet, der er hidtil uset for denne type system, " sagde Mendoza-Cortes. "Bundlinjen er, at vi har forbedret SEI. Det ville betyde mere kraft, der holder længere. Der er meget potentiale der."