Batterier oplades hurtigt og bevarer kapacitet, takket være ny 3D -nanostruktur

Batterierne i Illinois -professor Paul Brauns laboratorium ligner alle andre, men de pakker en overraskelse indeni.

Brauns gruppe udviklede en tredimensionel nanostruktur til batterikatoder, der muliggør dramatisk hurtigere opladning og afladning uden at ofre energilagringskapacitet. Forskernes resultater vil blive offentliggjort i den 20. marts forudgående onlineudgave af tidsskriftet Naturnanoteknologi.

Bortset fra hurtigopladet forbrugerelektronik, batterier, der kan gemme en masse energi, slip det hurtigt og genoplad hurtigt er ønskeligt for elektriske køretøjer, hospitalsudstyr, lasere og militære applikationer.

"Dette system, vi har, giver dig kondensatorlignende strøm med batterilignende energi, sagde Braun, professor i materialevidenskab og teknik. "De fleste kondensatorer lagrer meget lidt energi. De kan frigive det meget hurtigt, men de kan ikke holde meget. De fleste batterier gemmer en rimelig stor mængde energi, men de kan ikke levere eller modtage energi hurtigt. Dette gør begge dele. "

Ydeevnen for typiske genopladelige lithium-ion (Li-ion) eller nikkelmetalhydrid (NiMH) forringes betydeligt, når de oplades eller aflades hurtigt. Gør det aktive materiale i batteriet til en tynd film giver mulighed for meget hurtig opladning og afladning, men reducerer kapaciteten til næsten nul, fordi det aktive materiale mangler volumen til at lagre energi.

Brauns gruppe pakker en tynd film ind i en tredimensionel struktur, opnå både høj aktiv volumen (høj kapacitet) og stor strøm. De har demonstreret batterielektroder, der kan oplades eller aflades på få sekunder, 10 til 100 gange hurtigere end tilsvarende bulkelektroder, alligevel kan fungere normalt i eksisterende enheder.

Denne form for ydelse kan føre til telefoner, der oplades på sekunder eller bærbare computere, der oplades på få minutter, samt lasere og defibrillatorer med høj effekt, der ikke behøver tid til at tænde før eller mellem pulser.

Braun er særlig optimistisk med hensyn til batteriernes potentiale i elbiler. Batterilevetid og opladningstid er store begrænsninger for elektriske køretøjer. Langdistanceture kan være deres egen form for start-og-stop-kørsel, hvis batteriet kun varer 100 miles og derefter kræver en time at genoplade.

"Hvis du havde mulighed for at oplade hurtigt, i stedet for at tage timer at oplade køretøjet, kan du muligvis have køretøjer, der ville oplade på lignende tidspunkter som nødvendigt for at tanke en bil med benzin, "Sagde Braun." Hvis du havde fem minutters opladningskapacitet, du ville tænke på dette på samme måde som du gør en forbrændingsmotor. Du ville bare trække op til en ladestation og fylde op. "

Alle de processer, gruppen brugte, bruges også i store skalaer i industrien, så teknikken kan skaleres op til fremstilling.

De er nøglen til gruppens nye 3D-struktur er selvsamling. De begynder med at belægge en overflade med små kugler, pak dem tæt sammen for at danne et gitter. At prøve at skabe sådan et ensartet gitter på andre måder er tidskrævende og upraktisk, men de billige sfærer sætter sig på plads
automatisk.

Derefter fylder forskerne rummet mellem og omkring kuglerne med metal. Kuglerne smeltes eller opløses, efterlader et porøst 3D-stillads, som en svamp. Næste, en proces kaldet elektropolering ætser ensartet overfladen af ​​stilladset for at forstørre porerne og danne åbne rammer. Endelig, forskerne dækker rammen med en tynd film af det aktive materiale.

Resultatet er en bikontinuerlig elektrodestruktur med små sammenkoblinger, så litiumionerne kan bevæge sig hurtigt; et tyndfilm aktivt materiale, så diffusionskinetikken er hurtig; og en metalramme med god elektrisk ledningsevne.

Gruppen demonstrerede både NiMH og Li-ion batterier, men strukturen er generel, så ethvert batterimateriale, der kan aflejres på metalrammen, kan bruges.

"Vi kan godt lide, at det er meget universelt, så hvis nogen kommer med en bedre batterikemi, dette koncept gælder, sagde Braun, som også er tilknyttet Materials Research Laboratory og Beckman Institute for Advanced Science and Technology i Illinois. "Dette er ikke knyttet til en meget specifik slags batteri, men snarere er det et nyt paradigme i at tænke på et batteri i tre dimensioner til forbedring af egenskaber. "