Team forstærker batterier med nanorør

Forskere ved Energy Department's National Renewable Energy Laboratory (NREL) henvender sig til ekstremt små rør og stænger for at øge kraften og holdbarheden i lithium-ion-batterier, energikilder til mobiltelefoner, bærbare computere, og elbiler. Hvis det lykkes, batterierne holder længere og yder bedre, fører til en omkostningsfordel for elbiler.

Transport og kommunikation rundt om i verden er i stigende grad afhængig af lithium-ion-batterier, med mobiltelefoner allestedsnærværende på seks kontinenter, og elektriske køretøjer i tempo til at accelerere fra et verdensomspændende marked på 1 milliard dollar i 2009 til 14 milliarder dollar i 2016, ifølge analytikerne Frost og Sullivan.

NREL's Energilagergruppe arbejder sammen med Energiafdelingen, udviklere af bilbatterier, og bilproducenter for at forbedre ydeevnen og holdbarheden af ​​avancerede lithium-ion-batterier til en renere, mere sikker transport fremtid, sagde Energy Storage Group Manager Ahmad Pesaran. "Nanorørstilgangen repræsenterer en spændende mulighed - at forbedre ydeevnen af ​​genopladelige lithium-ion-batterier, samtidig med at de holder længere, " sagde Pesaran. "En forøgelse af genopladelige batteriers levetid og ydeevne vil reducere de samlede omkostninger til elektriske køretøjer og gøre os mindre afhængige af udenlandske energikilder."

Forskere ved NREL har skabt krystallinske nanorør og nanorods for at angribe de store udfordringer, der ligger i lithium-ion-batterier:de kan blive for varme, vejer for meget, og er mindre end fremragende til at lede elektricitet og hurtigt oplade og aflade.

NRELs seneste bidrag til meget forbedrede batterier er højtydende, bindemiddelfri, kulstof-nanorør-baserede elektroder. Teknologien har hurtigt tiltrukket sig interesse fra industrien og bliver licenseret til NanoResearch, Inc., til volumenproduktion.

Nanoteknologi refererer til manipulation af stof på atomær eller molekylær skala. Hvor lille? En nanometer er en milliarddel af en meter; det ville tage 1, 000 af nanorørene i NRELs projekt stillede op ved siden af ​​hinanden for at krydse bredden af ​​et menneskehår.

Endnu, forskere ved NREL er ikke kun i stand til at skabe nyttige genstande, der er små, men styrer deres formationer i bestemte former. De har kombineret nanorør og nanorods på en sådan måde, at de kan hjælpe med batteriopladning og samtidig reducere hævelse og krympning, der fører til elektroder med forkortet levetid.

"Tænk på et lithium-ion batteri som en fuglerede, " NREL-forsker Chunmei Ban sagde. "NREL-tilgangen bruger nanorods til at forbedre, hvad der foregår indeni, og samtidig sikre, at reden forbliver holdbar og modstandsdygtig."

"Vi ændrer arkitekturen, ændrer kemien noget, "uden at skifte selve batteriet, hun sagde.

NRELs arbejde blev støttet af energiafdelingens køretøjsteknologikontor under Battery for Advanced Transportation Technologies (BATT)-programmet, som fokuserer på at reducere omkostningerne og forbedre ydeevnen og holdbarheden af ​​de lithium-ion-batterier, der driver elektriske køretøjer.

Carbon nanorør både binder og leder

Typiske lithium-ion-batterier bruger separate materialer til at lede elektroner og binde aktive materialer, men NRELs tilgang bruger kulstof nanorør til begge funktioner. "Det forbedrer vores massebelastning, hvilket resulterer i at pakke mere energi ind i det samme rum, så bedre energiudgang til batteriet, " sagde Ban. "NREL-tilgangen hjælper også med reversibilitet - vendingen af ​​kemiske reaktioner, der gør det muligt for batteriet at blive genopladet med elektrisk strøm under drift. Hvis vi kan forbedre holdbarheden og reversibiliteten, vi sparer helt sikkert penge og reducerer omkostningerne."

Single-wall carbon nanorør (SWCNT'er) er dyre, men videnskabsmænd og ingeniører, der arbejder på området, er overbeviste om, at efterhånden som brugen af ​​SWCNT-baserede elektroder vokser bredere, deres pris vil falde til et punkt, hvor de giver økonomisk mening i batterier, sagde ban.

I et lithium-ion batteri, lithium-ioner bevæger sig frem og tilbage i grafit-anoden gennem en elektrolyt; ionerne injiceres mellem kulstoflagene af grafit, som er holdbart, men unødvendigt tæt. På samme tid, elektroner strømmer uden for batteriet gennem en elektrisk belastning fra katoden til anoden. Elektrolytter er essentielle i genopladelige batterier, fordi de lukker kredsløbet inde i batterierne ved at tillade ioner at overføre; Ellers, batteriet kan ikke fortsætte med at lede elektricitet fra de positive til de negative poler og tilbage igen.

højenergimaterialer, såsom metaloxider og siliciumanoder, har massive volumenændringer, når lithium-ioner injiceres og ekstraheres fra elektrodematerialet. De svulmer og skrumper, samles i en klynge og røre ved hinanden, krymper i forening, forårsager kollaps og efterfølgende revner, der kan skade ydeevnen, fører til ødelæggelse af elektroden og dermed lavere levetid.

Visse metaloxider gør et bedre stykke arbejde end grafit ved at kombinere med elektroderne. Men mens de forbedrer energiindholdet og vendefunktionerne, de bidrager stadig til den store udvidelse i volumen og ødelæggelsen af ​​den indre struktur.

NREL-holdet vendte sig mod jernoxid, som er rigeligt, sikker, billig, og lover meget. Endnu, at være effektiv, størrelsen af ​​jernoxidnanopartiklerne skulle være helt rigtige – og skulle holdes i en stærk matrix, der var både fleksibel og modstandsdygtig til at håndtere store volumenændringer og samtidig lede elektricitet optimalt.

NREL udnyttede de unikke egenskaber ved SWCNT'er for at løse udfordringerne med varme, vægt, og aflades på én gang. "Vi bruger kulstof-nanorøret i dette fleksible netværk til at lave en ledende reb-lignende indpakning, " sagde ban. Så, når der er svind, disse indpakninger tillader elektronerne at nå jernoxidet og fortsætte på den ledende vej uformindsket. Brug af nanopartikler forkorter diffusionslængden, forbedrer muligheden for hurtig op- og afladning. Brug af rigeligt billigt materiale betyder mindre behov for så dyre metaller som kobolt, bruges i øjeblikket i lithium-ion-batteriers katoder, sænke de samlede omkostninger."

Byg bedre anoder og katoder

SWCNT med jernoxidopløsning producerede en effekttæthed, der var tredoblet af grafit, hvilket betyder stærk ydeevne og samtidig eliminere meget af vægten af ​​et batteri, der afhænger af grafit. At komme dertil, det var væsentligt, at jernoxidpartiklerne blev fordelt ensartet inden for de omkransende nanorør.

Ban og NREL-kollegaen Zhuangchun Wu brugte hydrotermisk syntese og vakuumfiltrering til at bygge lithium-ion-anoder, der ikke kræver de typiske bindemidler (den adhæsionsstyrke, der gør det muligt for batteriet at udholde opladnings-afladningscyklusser) og alligevel har høj kapacitet. Det første skridt var at lave jernoxid nanorods som forløbere til fremstilling af elektroder. Ban og hendes kolleger opdagede, at ved 450°C, udglødning af jernhydroxidnanoroderne med SWCNT'er ville producere jernoxid. Og, SWCNT'erne bidrog kun med 5% til vægten. Ikke alene lettede SWCNT'erne faktisk dannelsen af ​​jernoxidpartiklerne, men de sikrede fremragende fysisk og elektrisk kontakt mellem de to materialer.

For katodeelektroder, de indlejrede NMC - lithium nikkel mangan cobalt oxid - i nanorørene, får nanopartiklerne til at blive meget ledende. Den resulterende nanokomposit bevarer 92 % af sin oprindelige evne til at lagre og lede elektriske ladninger selv efter 500 cyklusser med opladning og genopladning.

Ekspertise i vådkemisyntese guidede de ideelle former

Det er ikke så let som blot at putte nanomaterialer i batterier, sagde ban. "Du har brug for en speciel proces for at få det til at fungere." Ban og hendes NREL-kolleger Wu og Anne Dillon brugte en vakuumfiltreringsproces til at kombinere billig jernoxid med kulstofnanorør.

Ban bragte sin erfaring med vådkemisyntese til udfordringen med at påvirke nanomaterialernes former for at lave dem i form af stænger. "Vi ved, hvordan man ændrer syntesebetingelserne for at styre designet eller realisere strukturen og formen af ​​nanomaterialer, " sagde Ban.

De valgte en stangform, fordi de troede, at den ville integreres godt med nanotrådene og krumningerne af nanorør, vikles rundt om dem for at skabe en robust elektrode. De usædvanligt lange og meget fleksible tråde af nanomaterialerne er afgørende for elektrodernes overlegne egenskaber. De binder sig tæt til partiklerne, og deres porøsitet giver mulighed for ideel diffusion.

Et genopladeligt batteri, der holder

De innovative elektroder udtænkt af NREL kan betyde overlegen kapacitet, ydeevne, og sikkerhed for lithium-ion-batterier.

David Addie Noye, der grundlagde NanoResearch, Inc., med en plan om at kommercialisere dokumenterede nanovidenskabelige innovationer, besøgte NREL, så processen, og besluttede at licensere teknologien. Nanomateriale-kemi-innovationen og fremstillingsprocesinnovationen, der resulterer i bindemiddelløse elektroder, "er en game changer, fordi den hjælper med at løse et grundlæggende problem, som lithium-ion-batteriindustrien ikke har været i stand til at løse i årtier, " han sagde.

Forbedringerne i lithium-ion-batterierne, som NRELs tilgang tilbyder, kan også gøre en forskel inden for bærbar forbrugerelektronik, såsom bærbare computere, tabletter, mobiltelefoner, og bærbare medier, såvel som de stationære energilagringsenheder, der vil blive stadig vigtigere, efterhånden som mere variabel generation af vedvarende energi kommer ind i nettet.

"Vi laver ikke et nyt batteri, men vi ændrer arkitekturen noget ved at bruge SWCT-omviklede metaloxidanoder, " sagde ban. "Ved at gøre det, vi forbedrer massebelastningen, energiproduktion pr. vægt, og volumen." Processen sikrer en hurtigere opladning, og det er det, der er det vigtigste for producenterne og deres kunder. Det betyder færre ture til ladestationen, og et batteri der bliver ved og går og går.