Ultralydsenhed forbedrer opladningstiden og driftstiden i lithiumbatterier

Forskere ved University of California San Diego udviklede en ultralydsudsendende enhed, der bringer lithiummetalbatterier, eller LMB'er, et skridt tættere på kommerciel levedygtighed. Selvom forskerholdet fokuserede på LMB'er, enheden kan bruges i ethvert batteri, uanset kemi.

Enheden, som forskerne udviklede, er en integreret del af batteriet og virker ved at udsende ultralydsbølger for at skabe en cirkulerende strøm i elektrolytvæsken, der findes mellem anoden og katoden. Dette forhindrer dannelsen af ​​lithiummetalvækster, kaldet dendritter, under opladning, der fører til nedsat ydeevne og kortslutninger i LMB'er.

Enheden er lavet af hylde-smartphone-komponenter, som genererer lydbølger ved ekstremt høje frekvenser - fra 100 millioner til 10 milliarder hertz. I telefoner, disse enheder bruges hovedsageligt til at filtrere det trådløse cellulære signal og identificere og filtrere taleopkald og data. Forskere brugte dem i stedet til at generere et flow i batteriets elektrolyt.

"Fremskridt inden for smartphoneteknologi er virkelig det, der tillod os at bruge ultralyd til at forbedre batteriteknologi, " sagde James Friend, en professor i maskin- og rumfartsteknik ved Jacobs School of Engineering ved UC San Diego og undersøgelsens tilsvarende forfatter.

I øjeblikket, LMB'er er ikke blevet betragtet som en levedygtig mulighed for at drive alt fra elektriske køretøjer til elektronik, fordi deres levetid er for kort. Men disse batterier har også dobbelt så stor kapacitet som nutidens bedste lithium-ion-batterier. For eksempel, litiummetaldrevne elbiler ville have det dobbelte af lithium-ion-drevne køretøjer, for samme batterivægt.

Forskere viste, at et lithiummetalbatteri udstyret med enheden kunne oplades og aflades i 250 cyklusser og et lithium-ionbatteri i mere end 2000 cyklusser. Batterierne blev opladet fra nul til 100 procent på 10 minutter for hver cyklus.

"Dette arbejde giver mulighed for hurtigopladning og højenergibatterier alt i ét, " sagde Ping Liu, professor i nanoteknik ved Jacobsskolen og avisens anden seniorforfatter. "Det er spændende og effektivt."

Holdet beskriver deres arbejde i XX-nummeret af tidsskriftet Avancerede materialer .

De fleste batteriforskningsindsatser fokuserer på at finde den perfekte kemi til at udvikle batterier, der holder længere og oplader hurtigere, sagde Liu. Derimod UC San Diego -teamet forsøgte at løse et grundlæggende problem:det faktum, at i traditionelle metalbatterier, elektrolytvæsken mellem katoden og anoden er statisk. Som resultat, når batteriet oplades, lithium-ionen i elektrolytten er opbrugt, hvilket gør det mere sandsynligt, at lithium aflejres ujævnt på anoden. Dette forårsager igen udviklingen af ​​nålelignende strukturer kaldet dendritter, der kan vokse ukontrolleret fra anoden mod katoden, får batteriet til at kortslutte og endda tage ild. Hurtig opladning fremskynder dette fænomen.

Ved at udbrede ultralydsbølger gennem batteriet, enheden får elektrolytten til at strømme, genopfyldning af lithium i elektrolytten og gør det mere sandsynligt, at lithium dannes ensartet, tætte aflejringer på anoden under opladning.

Den sværeste del af processen var at designe enheden, sagde An Huang, avisens første forfatter og en ph.d. studerende i materialevidenskab ved UC San Diego. Udfordringen var at arbejde i ekstremt lille skala, at forstå de involverede fysiske fænomener og finde en effektiv måde at integrere enheden inde i batteriet.

"Vores næste skridt vil være at integrere denne teknologi i kommercielle lithium-ion-batterier, " sagde Haodong Liu, papirets medforfatter og en nanoengineering postdoktoral forsker ved Jacobs-skolen.