Silicium nanobuisjes zouden de li-ion batterijcapaciteit 10x kunnen vergroten

Anonim

Silicium nanobuisjes zouden de li-ion batterijcapaciteit 10x kunnen vergroten

Elektronica

Darren Quick

25 september 2009

2 afbeeldingen

Silicium nanobuizen na ultrasone behandeling - inzet is een uitgebreid beeld van een enkele nanobuis

In nieuws dat het bereik van elektrische auto's aanzienlijk zou kunnen vergroten, hebben onderzoekers aangetoond dat het vervangen van de conventionele grafietelektroden in lithium-ionbatterijen door siliciumnanobuizen een batterij kan produceren die tien keer meer kan worden opgeladen. De onderzoekers ontwikkelden een siliciumanode die, naast uitbreiding van het assortiment elektrische auto's, ook benzine-elektrische hybride voertuigen efficiënter kon maken door hen gedurende langere perioden in de elektrische modus te laten rijden.

De onderzoekers zeggen dat als de nieuwe siliciumanode kan worden gekoppeld aan een kathode met vergelijkbare opslagcapaciteit, de resulterende batterij in staat zou moeten zijn om een ​​auto drie of vier uur aan te drijven zonder op te laden. Dit is een duidelijke verbetering van zes tot acht keer in de hedendaagse technologie, die de batterij in een huidige, typische hybride auto van slechts 30 minuten ziet.

De siliciumanode die is ontwikkeld door onderzoekers van Stanford University en Hanyang University in Ansan, Korea, in samenwerking met LG Chem, een Koreaans bedrijf dat verantwoordelijk is voor de productie van de lithium-ionbatterij die in de Chevy Volt wordt gebruikt, kan veel meer energie opslaan dan grafietelektroden omdat ze absorberen hogere niveaus van lithium wanneer de batterij wordt opgeladen. In feite kan het silicium tot tien keer meer lithium bevatten dan grafietkoolstof.

Maar het vermogen van het silicium om meer lithium te absorberen heeft een keerzijde. Omdat het zoveel lithium inneemt, kan het tot vier keer toe in volume toenemen. Dit plaatst zoveel mechanische spanning op het brosse materiaal dat de siliciumanodes de neiging hebben te kraken na slechts enkele laad / ontlaadcycli. Om dit tegen te gaan, wendden de onderzoekers zich tot nanogestructureerd silicium.

Jaephil Cho, hoogleraar energie-engineering aan het Ulsan National Institute of Science and Technology in Korea, en Stanford Materials Scientist Yi Cui, had siliciumnanodraadanodes en nanoporeuze siliciumanodes gemaakt voordat hij samenwerkte om de siliciumanobuisanoden te ontwikkelen die betere opslagcapaciteit bieden dan een van die eerdere nanogestructureerde materialen.

De prestatie van de silicium nanobuisanode ligt in zijn vorm, die eruitziet als een bos holle rietjes. Dit zorgt voor meer inwendig blootliggend oppervlak en daardoor veel meer ruimte voor het lithium om mee te werken. Omdat de vorm extra ruimte biedt voor het uitzetten en samentrekken van het silicium, is er ook een vermindering van de mechanische spanning die wordt veroorzaakt wanneer de batterij wordt opgeladen en ontladen.

Cho is van mening dat batterijen die de siliciumelektroden bevatten in slechts drie jaar op de markt zouden kunnen zijn omdat het proces om ze te produceren eenvoudig is en de gebruikte sjabloon al in de handel verkrijgbaar is. Het omvat het herhaaldelijk onderdompelen van een aluminium sjabloon in een siliciumoplossing, en vervolgens het verwarmen ervan en het etsen van de structuur in zuur om het aluminium te verwijderen. Samen met LG Chem werkt Cho ook met de sjabloonfabrikant om een ​​sjabloon compatibel te maken met grootschalige productie.

Er zijn echter nog andere uitdagingen die overwonnen moeten worden voordat siliciumanodes hun weg vinden naar elektrische voertuigen. Hoewel Cui en Cho de prestaties van hun anode hebben aangetoond na 200 ladingen, moet de technologie bewezen zijn boven honderdduizenden ladingen om levensvatbaar te worden voor gebruik in voertuigen. Het probleem is om alle energie die erin zit terug te krijgen van silicium - een toestand die na verloop van tijd verslechterd.

Om de volledige voordelen van siliciumanodes te ontvangen, moeten ze bovendien worden gepaard met kathodes waarvan de opslagcapaciteit ook tien keer groter is. Om de capaciteit van de siliciumanodes in een werkende batterij te evenaren voor het testen van hun technologie, hebben de onderzoekers grote kathoden van conventionele materialen gebruikt. Cui en Cho werken echter aan de ontwikkeling van nieuwe kathodematerialen in samenwerking met LG Chem.

Het onderzoek van het team is gedetailleerd in de studie, Silicon Nanotube Battery Anodes, die verschijnt in het tijdschrift Nano Letters .

Bron: Technology Review via TreeHugger

Silicium nanobuizen na ultrasone behandeling - inzet is een uitgebreid beeld van een enkele nanobuis

Een bundel silicium nanobuisjes - pijlen geven de buiswanden aan