Voks, sæbe renser forhindringer for bedre batterier

Lidt voks og sæbe kan hjælpe med at bygge elektroder til billigere lithium -ion -batterier, ifølge en undersøgelse i 11. august udgave af Nano bogstaver . Et-trinsmetoden vil give batteriudviklere mulighed for at udforske billigere alternativer til de lithium-ion-metaloxid-batterier, der i øjeblikket er på markedet.

"Paraffin giver et medium til at dyrke gode elektrodematerialer i, " sagde materialeforsker Daiwon Choi fra Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory. "Denne metode vil hjælpe forskere med at undersøge katodematerialer baseret på billigere overgangsmetaller såsom mangan eller jern."

Forbrugere bruger langtidsholdbare genopladelige lithium-ion-batterier i alt fra mobiltelefoner til den nyeste bærbare gadget. Nogle bilproducenter ønsker at bruge dem i køretøjer. De fleste lithium-ion-batterier, der er tilgængelige i dag, er designet med en oxid af metal såsom kobolt, nikkel, eller mangan. Choi og kolleger ved PNNL og State University of New York i Binghamton ønskede at udforske både billigere metaller og det mere stabile fosfat i stedet for oxid.

The Recharge Tale

Disse genopladelige batterier virker, fordi lithium er egoistisk og vil have sin egen elektron. Positivt ladede lithiumioner hænger normalt ud i metaloxid, stalden, positiv elektrode i batterier. Metaloxid deler generøst sine elektroner med lithiumionerne.

Opladning med elektricitet pumper elektroner ind i den negative elektrode, og når lithium-ionerne ser de frit svævende negative ladninger hen over batteriet, de bliver tiltrukket af livet væk fra metaloxidburet. Så væk med lithium-ionerne, at opgive metaloxidet og dets delte elektroner for at bruge tid på at nyde deres egne private.

Men affæren varer ikke ved - at bruge batteriet i en elektronisk enhed skaber en kanal, hvorigennem de glatte elektroner kan strømme. At miste deres elektroner, lithium-ionerne smyger sig tilbage til det evigt ventende metaloxid. Genopladning starter hele den dårlige proces forfra.

Billigere, Stabilere

Mens koboltoxid fungerer godt i lithiumbatterier, kobolt og nikkel er dyrere end mangan eller jern. Ud over, at erstatte phosphat med oxid giver en mere stabil struktur for lithium.

Lithiumjernfosfatbatterier er kommercielt tilgængelige i nogle elværktøjer og solenergiprodukter, men syntesen af ​​elektrodematerialet er kompliceret. Choi og kolleger ønskede at udvikle en simpel metode til at omdanne lithiummetalfosfat til en god elektrode.

Lithiummanganphosphat -- LMP -- kan teoretisk opbevare nogle af de højeste mængder energi fra de genopladelige batterier, med en vægt på 171 milliAmp timer pr. gram materiale. Høj lagerkapacitet gør, at batterierne er lette. Men andre efterforskere, der arbejder med LMP, har ikke engang været i stand til at søge 120 milliAmp timer pr. gram så langt fra det materiale, de har syntetiseret.

Choi begrundede, at tabet på 30 procent i kapacitet kunne skyldes, at lithium og elektroner skulle kæmpe sig vej gennem metaloxidet, en egenskab kaldet modstand. Jo mindre afstand lithium og elektroner skal rejse ud af katoden, han tænkte, jo mindre modstand og jo mere elektricitet kunne der lagres. En mindre partikel ville mindske denne afstand.

Men at dyrke mindre partikler kræver lavere temperaturer. Desværre, lavere temperaturer betyder, at metaloxid-molekylerne ikke kan opstilles godt i krystallerne. Tilfældighed er uegnet til katodematerialer, så forskerne havde brug for en ramme, hvori ingredienserne - lithium, mangan og fosfat -- kunne arrangere sig selv i pæne krystaller.

Voks på, Voks af

Paraffinvoks består af lange lige molekyler, der ikke reagerer med meget, og de lange molekyler kan hjælpe med at stille tingene op. Sæbe - et overfladeaktivt stof kaldet oliesyre - kan hjælpe de voksende krystaller med at sprede sig jævnt.

Så, Choi og kolleger blandede elektrodeingredienserne med smeltet paraffin og oliesyre og lod krystallerne vokse, mens de langsomt hævede temperaturen. Ved 400 Celsius (fire gange temperaturen af ​​kogende vand), der var dannet krystaller, og voksen og sæbe var kogt af. Materialeforskere styrker generelt metaller ved at udsætte dem for høj varme, så holdet hævede temperaturen endnu mere for at smelte krystallerne sammen til en plade.

"Denne metode er meget enklere end andre måder at fremstille lithium-manganphosphat-katoder på, " sagde Choi. "Andre grupper har en kompliceret, flertrins proces. Vi blander alle komponenterne og varmer det op."

For at måle størrelsen af ​​de små plader, holdet brugte et transmissionselektronmikroskop i EMSL, DOE's Environmental Molecular Sciences Laboratory på PNNL campus. Tæt, lille bitte, tynde rektangler stukket hver vej. Nanopladerne målte omkring 50 nanometer tykke - omkring tusind gange tyndere end et menneskehår - og op til 2000 nanometer på en side. Andre analyser viste, at krystalvæksten var egnet til elektroder.

For at teste LMP, holdet rystede nanopladerne fri fra hinanden og tilføjede en ledende kulstofbagside, som fungerer som den positive elektrode. Holdet testede, hvor meget elektricitet materialet kunne lagre efter opladning og afladning hurtigt eller langsomt.

Da forskerne opladede nanopladerne langsomt over en dag og derefter afladede dem lige så langsomt, LMP mini-batteriet holdt lidt mere end 150 milliAmp timer pr. gram materiale, højere end andre forskere havde kunnet opnå. Men da batteriet blev afladet hurtigt - sig, inden for en time, der faldt til omkring 117, sammenlignes med andet materiale.

Dens bedste ydeevne bankede på det teoretiske maksimum ved 168 milliAmp timer pr. gram, når den langsomt blev opladet og afladet over to dage. Opladning og afladning på en time - et rimeligt mål for brug i forbrugerelektronik - gjorde det muligt for den at lagre sølle 54 milliAmp timer pr. gram.

Selvom denne version af et LMP-batteri oplades langsommere end andre katodematerialer, Choi sagde, at den virkelige fordel ved dette arbejde er, at den nemme, et-trins-metoden vil lade dem udforske en lang række billige materialer, som traditionelt har været svære at arbejde med i udviklingen af ​​genopladelige lithium-ion-batterier.

I fremtiden, holdet vil ændre, hvordan de inkorporerer kulstofbelægningen på LMP nanopladerne, hvilket kan forbedre deres ladnings- og afladningshastigheder.