Undersøgelse finder fluor som mulig erstatning for lithium i genopladelige batterier

Med øget brug af genopladelige batterier til at drive moderne teknologi, især elbiler, forskere har ledt efter alternative materialer til lithium-ion i genopladelige batterier.

Moderne batterier bruger lithium og kobolt, men disse har et meget begrænset udbud.

Materialeforskere ved McKelvey School of Engineering ved Washington University i St. Louis har fundet et potentielt alternativ til lithium i fluor, et relativt rigeligt og let element. Deres forskning blev trykt 7. december i Journal of Materials Chemistry .

Interessant nok, fluoridionen er det modsatte spejl af lithiumionen, har den stærkeste tiltrækning af elektroner, hvilket gør det nemt at udføre elektrokemiske reaktioner. Forskere i Japan tester også fluor-ion-batterier som mulige erstatninger for lithium-ion-batterier i køretøjer. De siger, at disse batterier kunne tillade elektriske køretøjer at køre 1, 000 kilometer (621 miles) på en enkelt opladning. Imidlertid, nuværende fluor-ion-batterier har dårlig cyklerbarhed - dvs. de har en tendens til at nedbrydes hurtigt med opladnings-afladningscyklusser.

Forskerne Steven Hartman og Rohan Mishra har taget en ny tilgang til design af fluor-ion batterier, identifikation af to materialer, der let får eller taber fluoridioner, mens de gennemgår små strukturelle ændringer for at muliggøre god cyklebarhed. Mishra, assisterende professor i maskinteknik og materialevidenskab, sagde, at de nye batterimaterialer begge er lagdelte elektrider.

Elektrider er en forholdsvis ny klasse af materialer, som i princippet har været kendt i omkring 50 år, men det var først de sidste 10 til 15 år, at deres egenskaber blev bedre forstået, sagde Mishra. Mens disse materialer leder elektroner som almindelige metaller, i modsætning til "elektronernes hav" i metaller, hvor elektronerne er delokaliseret gennem hele krystallen, i elektroder, elektronerne befinder sig på specifikke interstitielle steder i krystalstrukturen, ligner en ion.

"Vi forudser, at disse interstitielle elektroner let kan erstattes med fluoridioner uden væsentlige deformationer af krystalstrukturen, dermed muliggøre cyklerbarhed, " sagde Mishra. "Fluoridionerne kan også bevæge sig eller diffundere ret let på grund af den relativt åbne struktur af de lagdelte elektrider."

Hartman, en alumnus fra Institute of Materials Science &Engineering, der opnåede en doktorgrad i Mishras laboratorium, inden han accepterede et postdoc-stipendium ved Los Alamos National Laboratory, brugte kvantemekaniske beregninger til at teste snesevis af potentielle batterikandidater.

De computeriserede tests introducerede fluorid i de interstitielle rum i de lagdelte elektrider dicalciumnitrid og yttriumhypocarbid. Energilagringskapaciteten var tæt på ydeevnen af ​​lithium-ion-batterier. I tilfælde af dicalciumnitrid, den består af relativt rigelige elementer og kan hjælpe med at overvinde forsyningsmanglen på elementer, der i øjeblikket bruges i lithium-ion-batterier.

Hartman kontrasterede batteristudiet med noget af Mishra-gruppens andre arbejde, som bruger maskinlæring "big data"-teknikker til at gennemsøge tusindvis af kandidater.

"Dette krævede mere intuition og trial-and-error end andre undersøgelser, vi har lavet, " sagde Hartman. "I princippet, du kan tilføje en masse fluoridioner til konventionelle elektroder for at opbevare en masse ladning, men i praksis disse teoretiske kapaciteter er svære at styre. Når vi tilføjer fluor til konventionelle elektroder, de svulmer og skrumper dramatisk, når det oplades og aflades, og det kan føre til revner og tab af elektrisk kontakt."

At minimere denne volumen- og formændring er afgørende for at skabe et holdbart fluoridbatteri.

"I disse lagdelte elektridematerialer, vi forudser, at tilføjelse og fjernelse af fluoridionerne ville forårsage væsentligt mindre strukturelle ændringer, hjælper dermed med at opnå et længere cykelliv, " sagde Hartman.

Mishras laboratorium søger at samarbejde med forskere, der kan syntetisere de lovende elektrider, der er identificeret i denne undersøgelse, og teste dem i prototypebatterier.

McKelvey School of Engineering indeholder en gruppe tværfaglige fakultetsmedlemmer, der udfører batteriforskning. Nylig forskning af Peng Bai, adjunkt i energi, miljø- og kemiteknik, resulteret i evnen til at tilnærme batteriets strømtæthedstærskel og præcist forudsige kortslutningstiden for en bestemt strømtæthed.

Jason Han, professor i energi, miljø- og kemiteknik, for nylig gennemførte en feasibility-undersøgelse for elektrokemisk "genopfyldning" af lithium-ion-batterier i de brugte elektroder for at regenerere nyttige forbindelser, såsom lithium cobaltoxid.