Nanoscoops kunne udløse en ny generation af elektriske bilbatterier

En helt ny type nanomateriale udviklet på Rensselaer Polytechnic Institute kunne muliggøre den næste generation af højeffekt genopladelige lithium (Li)-ion batterier til elektriske biler, samt batterier til bærbare computere, mobiltelefoner, og andre bærbare enheder.

Det nye materiale, kaldet en "nanoscoop", fordi dens form ligner en kegle med en kugle is på toppen, kan modstå ekstremt høje opladnings- og afladningshastigheder, som ville forårsage, at konventionelle elektroder, der bruges i nutidens Li-ion-batterier, hurtigt forringes og svigter. Nanoscoops succes ligger i dens unikke materialesammensætning, struktur, og størrelse.

Rensselaers forskerhold, ledet af professor Nikhil Koratkar, demonstreret, hvordan en nanoscoop-elektrode kunne oplades og aflades med en hastighed 40 til 60 gange hurtigere end konventionelle batterianoder, og samtidig opretholde en sammenlignelig energitæthed. Denne fantastiske præstation, som blev opnået over 100 kontinuerlige opladnings-/afladningscyklusser, har holdet overbevist om, at deres nye teknologi rummer et betydeligt potentiale for design og realisering af højeffekt, genopladelige Li-ion-batterier med høj kapacitet.

"Oplader min bærbare computer eller mobiltelefon på et par minutter, i stedet for en time, det lyder ret godt for mig, " sagde Koratkar, professor ved Institut for Mekanik, Luftfart, og Nuklear Engineering hos Rensselaer. "Ved at bruge vores nanoscoops som anodearkitektur for Li-ion genopladelige batterier, dette er en meget reel udsigt. I øvrigt, denne teknologi kan potentielt øges for at passe til de krævende behov for batterier til elektriske biler."

Batterier til helt elektriske køretøjer skal levere høje effekttætheder ud over høje energitætheder, sagde Koatkar. Disse køretøjer bruger i dag superkondensatorer til at udføre strømkrævende funktioner, såsom start af køretøjet og hurtig acceleration, i forbindelse med konventionelle batterier, der leverer høj energitæthed til normal krydstogtkørsel og andre operationer. Koratkar sagde, at opfindelsen af ​​nanoscoops kan gøre det muligt for disse to separate systemer at blive kombineret til en enkelt, mere effektiv batterienhed.

Resultaterne af undersøgelsen blev beskrevet detaljeret i papiret "Functionally Strain-Graded Nanoscoops for High Power Li-Ion Battery Anodes, " offentliggjort torsdag af tidsskriftet Nano bogstaver .

Anodestrukturen af ​​et Li-ion batteri vokser og krymper fysisk, når batteriet oplades eller aflades. Ved opladning, tilsætning af Li-ioner øger anodens volumen, mens afladning har den modsatte effekt. Disse volumenændringer resulterer i en opbygning af stress i anoden. For stor stress, der opbygges for hurtigt, som i tilfælde af et batteri, der oplades eller aflades ved høje hastigheder, kan få batteriet til at svigte for tidligt. Dette er grunden til, at de fleste batterier i nutidens bærbare elektroniske enheder som mobiltelefoner og bærbare computere oplades meget langsomt – den langsomme opladningshastighed er bevidst og designet til at beskytte batteriet mod stress-induceret skade.

Rensselaer-holdets nanoscoop, imidlertid, blev udviklet til at modstå denne opbygning af stress. Lavet af en kulstof (C) nanorod base toppet med et tyndt lag af nanoskala aluminium (Al) og en "scoop" af nanoskala silicium (Si), strukturerne er fleksible og i stand til hurtigt at acceptere og udlede Li-ioner med ekstremt hurtige hastigheder uden at lide væsentlig skade. Den segmenterede struktur af nanoscoop tillader, at stammen gradvist overføres fra C-basen til Al-laget, og til sidst til Si scoop. Denne naturlige belastningsgradation sørger for en mindre brat overgang i stress på tværs af materialets grænseflader, fører til forbedret strukturel integritet af elektroden.

Scoopens nanoskalastørrelse er også afgørende, da nanostrukturer er mindre tilbøjelige til at revne end bulkmaterialer, ifølge Koratkar.

"På grund af deres nanoskala størrelse, vores nanoscoops kan suge og frigive Li ved høje hastigheder langt mere effektivt end de makroskala-anoder, der bruges i nutidens Li-ion-batterier, " sagde han. "Dette betyder, at vores nanoscoop kan være løsningen på et kritisk problem, som bilfirmaer og andre batteriproducenter står over for – hvordan kan du øge et batteris strømtæthed, mens du stadig holder energitætheden høj?"

En begrænsning af nanoscoop-arkitekturen er den relativt lave samlede masse af elektroden, sagde Koratkar. For at løse dette, holdets næste skridt er at prøve at dyrke længere scoops med større masse, eller udvikle en metode til at stable lag af nanoscoops oven på hinanden. En anden mulighed, som holdet undersøger, omfatter dyrkning af nanoscoops på store fleksible substrater, der kan rulles eller formes, så de passer langs bilens konturer eller chassis.