Ny energilagringsenhed kan genoplade elektriske køretøjer på få minutter

(PhysOrg.com) - Det har alle tilsyneladende et gennembrud inden for batteriteknologi, bortset fra at det ikke er et batteri. Forskere ved Nanotek Instruments, Inc., og dets datterselskab Angstron Materials, Inc., i Dayton, Ohio, har udviklet et nyt paradigme til at designe energilagringsenheder, der er baseret på hurtigt at flytte et stort antal lithiumioner mellem elektroder med massive grafenoverflader. Energilagringsenheden kan vise sig at være yderst nyttig til elbiler, hvor det kunne reducere opladningstiden fra timer til mindre end et minut. Andre applikationer kan omfatte lagring af vedvarende energi (f.eks. lagring af solenergi og vindenergi) og smarte net.

Forskerne kalder de nye enheder "grafenoverfladeaktiverede lithiumionbytterceller, "eller mere enkelt, "overflademedierede celler" (SMC'er). Selvom enhederne i øjeblikket bruger ikke -optimerede materialer og konfigurationer, de kan allerede overgå Li-ion batterier og superkapacitorer. De nye enheder kan levere en effekttæthed på 100 kW/kgcelle, som er 100 gange højere end for kommercielle Li-ion-batterier og 10 gange højere end for superkapacitorer. Jo højere effekttæthed, jo hurtigere energioverførselshastighed (hvilket resulterer i en hurtigere opladningstid). Ud over, de nye celler kan lagre en energitæthed på 160 Wh/kgcelle, som kan sammenlignes med kommercielle Li-ion-batterier og 30 gange højere end konventionelle superkapacitors. Jo større energitæthed, jo mere energi enheden kan gemme for samme volumen (hvilket resulterer i en længere rækkevidde for elbiler).

”I betragtning af den samme enhedsvægt, det nuværende SMC og Li-ion batteri kan levere et elektrisk køretøj (EV) med en lignende rækkevidde, ”Bor Z. Jang, medstifter af Nanotek Instruments og Angstron Materials, fortalt PhysOrg.com . "Vores SMC'er, ligesom de nuværende Li-ion batterier, kan forbedres yderligere med hensyn til energitæthed [og derfor rækkevidde]. Imidlertid, i princippet, SMC kan genoplades på få minutter (muligvis mindre end et minut), i modsætning til timer for Li-ion-batterier, der bruges i nuværende elbiler. ”

Jang og hans medforfattere hos Nanotek Instruments og Angstron Materials har offentliggjort undersøgelsen om næste generations energilagringsenheder i et nylig nummer af Nano bogstaver . Begge virksomheder har specialiseret sig i kommercialisering af nanomaterialer, hvor Angstron er verdens største producent af nano -grafenplader (NGP'er).

Som forskerne forklarer i deres undersøgelse, batterier og superkapacitorer har hver deres styrker og svagheder, når det kommer til energilagring. Mens Li-ion-batterier giver en meget højere energitæthed (120-150 Wh/kg _celle ) end superkapacitorer (5 Wh/kg _celle ), batterierne leverer en meget lavere effekttæthed (1 kW/kg _celle sammenlignet med 10 kW/kg _celle ). Mange forskergrupper har gjort en indsats for at øge strømtætheden af ​​Li-ion-batterier og øge energitætheden af ​​superkapacitorer, men begge områder har stadig betydelige udfordringer. Ved at tilvejebringe en grundlæggende ny ramme for energilagringsenheder, SMC'erne kunne gøre det muligt for forskere at omgå disse udfordringer.

“Udviklingen af ​​denne nye klasse energilagringsenheder bygger bro mellem ydeevnen mellem et Li-ion-batteri og en superkapacitor, ”Sagde Jang. "Mere markant, denne grundlæggende nye ramme for konstruktion af energilagringsenheder kunne gøre det muligt for forskere at opnå både den høje energitæthed og den høje effekttæthed uden at skulle ofre den ene for at opnå den anden. ”

Nøglen til SMC'ernes ydeevne er en katode og anode, der indeholder meget store grafenoverflader. Når man fremstiller cellen, forskerne satte litiummetal (i form af partikler eller folie) ved anoden. Under den første udladningscyklus, lithium er ioniseret, resulterer i et meget større antal lithiumioner end i Li-ion batterier. Når batteriet bruges, ionerne vandrer gennem en flydende elektrolyt til katoden, hvor ionerne kommer ind i porerne og når den store grafenoverflade inde i katoden. Under opladning, en massiv strøm af lithiumioner vandrer hurtigt fra katoden til anoden. Elektrodernes store overfladearealer muliggør hurtig skift af et stort antal ioner mellem elektroder, resulterer i deres høje effekt og energitæthed.

Som forskerne forklarer, udveksling af lithiumioner mellem de porøse elektroderes overflader (og ikke i hovedparten af ​​elektroden, som i batterier) fjerner fuldstændigt behovet for den tidskrævende proces med intercalation. I denne proces, litiumionerne skal indsættes inde i elektroderne, som dominerer opladningstiden for batterier.

Selvom forskerne i denne undersøgelse udarbejdede forskellige typer grafen (oxideret, og reduceret enkeltlag og flerlag) fra en række forskellige typer grafit, yderligere analyse af materialer og konfiguration er nødvendig for at optimere enheden. For én ting, forskerne planlægger at undersøge cellernes cyklustid yderligere. Indtil nu, de fandt ud af, at enhederne kunne beholde 95% kapacitet efter 1, 000 cykler, og selv efter 2, 000 cyklusser viste ingen tegn på dendritdannelse. Forskerne planlægger også at undersøge de relative roller, som forskellige lithiumlagermekanismer spiller på enhedens ydeevne.

”Vi forventer ikke nogen større hindring for kommercialisering af SMC -teknologien, ”Sagde Jang. "Selvom grafen i øjeblikket sælges til en overkommelig pris, Angstron Materialer, Inc., er aktivt engageret i at skalere produktionskapaciteten af ​​grafen. Produktionsomkostningerne for grafen forventes at blive drastisk reduceret inden for de næste 1-3 år. ”

Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omfordelt helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.