Konstrueret elektrodemateriale flytter batteriudviklingen tættere på hurtig opladning

Elbiler vinder stadig mere udbredt, men deres lange opladningstid er en betydelig forringelse for potentielle kunder. Mens en typisk SUV med en forbrændingsmotor kunne køre 300 miles med en fem minutters tankning, et state-of-the-art elektrisk køretøj tager cirka en time at lagre nok energi til at rejse den samme afstand. Teknologien til et lithium-ion-batteri med høj kapacitet, der oplades hurtigt og fungerer effektivt, er stadig et urealiseret mål - men forskerne er nu tættere på end nogensinde.

Et internationalt team af forskere offentliggjorde detaljer om et konstrueret elektrodemateriale, der tillader sådanne avancerede batterier den 8. oktober i Videnskab.

"Kombinationen af ​​høj energi, høj rate, og lang cykluslevetid er batteriundersøgelsens hellige gral, som bestemmes af en af ​​batteriets nøglekomponenter:elektrodematerialerne, " sagde Hengxing Ji, professor ved University of Science and Technology of China (USTC). "Vi sigter mod at søge efter et elektrodemateriale, der kan gøre indhug i præstationsmålinger fra laboratorieforskning og kan holde løftet om at stå med de industrielle produktionsteknikker og krav."

Energi kommer ind i og forlader batteriet ved elektrokemiske reaktioner i elektroder, så effektiv og effektiv lithium-ion-overførsel er af yderste vigtighed, ifølge førsteforfatter Hongchang Jin fra USTC, især ved at overføre energien fra batteriet til enheden via anoden.

Forskerne vendte sig mod sort fosfor, et materiale, der tidligere er blevet overvejet til brug i elektroder, men som regel er opgivet på grund af dets tendens til at deformere langs dets lagdelte kanter, gør overførsel af lithium-ioner dybt ineffektiv og gør et materiale af lavere kvalitet. Ved at kombinere sort fosfor med grafit, de kemiske bindinger mellem disse to materialer stabiliserer og forhindrer de problematiske kantændringer.

Teamet tog også fat på et andet problem, der forhindrede materialet:Elektrolytter kan bryde ned i mindre ledende stykker og bygge op på overfladen af ​​elektroden, hæmmer lithium-ion-overførsel til elektrodematerialet, som støv, der skjuler lyset gennem glas. Holdet påførte en tynd polymergelbelægning på elektrodematerialerne og forstærkede lithium-ion-transportvejen, effektivt forhindrer problemet.

"Kompositanodematerialet genoprettede 80 % af sin fulde kapacitet på mindre end 10 minutter og viser en levetid på 2000 cyklusser ved stuetemperatur, som blev målt under forhold, der er kompatible med de industrielle fremstillingsprocesser, "sagde co-første forfatter Sen Xin, professor ved Institute of Chemistry Chinese Academy of Sciences. "Hvis skalerbar produktion kan opnås, dette materiale kan give et alternativ, opdateret grafitanode, og flytte os mod et lithium-ion-batteri med energitæthed på mere end 350 watt-time pr. kilogram og hurtig opladningskapacitet. Succesfuld projektion af ovenstående parametre på det elektriske køretøj vil markant øge dets konkurrenceevne i forhold til brændstofbilerne."

De 350 watt-timer pr. kilogram beskriver batteriets energikapacitet - et elektrisk køretøj med et sådant batteri kan rejse 600 miles på en enkelt opladning. Til sammenligning, Tesla Model S på markedet kan rejse 400 miles på en opladning.

Med denne nye teknologi, Ji sagde, at forskerne planlægger at forfølge både grundlæggende videnskabelige spørgsmål om lithium-ion-opladnings-afladningsprocessen og branchespecifikke spørgsmål om måder at skalere kompositmaterialeproduktion under mere milde forhold.

"Vi vil undersøge ingeniørmaterialer af rationelt udvalgt struktur, men under hensyntagen til pris og praktisk for at opnå en attraktiv ydeevne, " sagde Ji.