Batterier får en hurtig opladning med ny anodeteknologi

(PhysOrg.com) -- Et gennembrud inden for komponenter til næste generations batterier kunne komme fra specielle materialer, der transformerer deres struktur til at yde bedre over tid.

Et team af forskere ved det amerikanske energiministeriums Argonne National Laboratory, ledet af Argonne nanoforsker Tijana Rajh og batteriekspert Christopher Johnson, opdaget, at nanorør bestående af titaniumdioxid kan skifte fase, når et batteri cykles, gradvist at øge deres operationelle kapacitet. Laboratorietests viste, at nye batterier fremstillet med dette materiale kunne genoplades op til halvdelen af ​​deres oprindelige kapacitet på mindre end 30 sekunder.

Ved at udskifte konventionelle grafitanoder til dem, der består af titanium nanorør, Rajh og hendes kolleger var vidne til et overraskende fænomen. Da batteriet cyklede gennem flere op- og afladninger, dens interne struktur begyndte at orientere sig på en måde, der dramatisk forbedrede batteriets ydeevne.

"Vi havde ikke forventet, at dette ville ske, da vi begyndte at arbejde med materialet, men anoden adopterede spontant den bedste struktur, " sagde Rajh. "Der er en intern form for plasticitet i systemet, der gør det muligt for det at ændre sig, efterhånden som batteriet cykles."

Ifølge Argonne nanoforsker Hui Xiong, som arbejdede sammen med Rajh for at udvikle det nye anodemateriale, titaniumdioxid så ud til, at det næppe ville være tilstrækkeligt til at erstatte grafit. "Vi startede med et materiale, som vi aldrig troede ville have givet en funktionel anvendelse, og det blev til noget, der gav os det bedst mulige resultat, " hun sagde.

En af de andre forskere i Rajhs gruppe, Sanja Tepavcevic, har vedtaget en lignende tilgang til at lave en selvforbedrende struktur til et natrium-ion nanobatteri.

"Dette er højst usædvanlig materiel adfærd, " tilføjede Jeff Chamberlain, en Argonne-kemiker, der leder laboratoriets store energilagringsinitiativ. "Vi ser nogle faseovergange i nanoskala, der er meget interessante fra et videnskabeligt synspunkt, og det er den dybere forståelse af disse materialers adfærd, der vil låse op for mysterier af materialer, der bruges i elektriske energilagringssystemer."

Grunden til, at titaniumdioxid virkede som en usandsynlig løsning til batteriudvikling, ligger i materialets amorfe natur. Fordi amorfe materialer ikke har nogen indre orden, de mangler de særlige elektroniske egenskaber af højt ordnede krystallinske materialer. Imidlertid, amorfe materialer har ikke været kendt for at gennemgå så dybtgående strukturelle transformationer under cykling, ifølge Rajh. De fleste af de kendte batterimaterialer gennemgår den modsatte overgang:de starter som meget krystallinske og pulveriseres til en amorf tilstand ved cykling.

At have anoder sammensat af titaniumdioxid i stedet for grafit forbedrer også pålideligheden og sikkerheden af ​​lithium-ion-batterier. I visse tilfælde, lithium kan arbejde sig ud af opløsningen og aflejre sig på grafitanoderne, forårsager en farlig kædereaktion kendt som termisk runaway. "Hver type test, vi har udført på titaniumanoder, har vist, at de er usædvanligt sikre, " sagde Chamberlain.

Argonne-opdagelsen kom fra samarbejde mellem to af laboratoriets flagskibsbrugerfaciliteter:Center for Nanoscale Materials og Advanced Photon Source. Ved at kombinere state-of-the-art nanofabrikationsteknikker med højintensitets røntgenstråler for at karakterisere nanorørene, Argonne-forskerne var i stand til hurtigt at observere denne usædvanlige adfærd.