Forskare vid US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory har rapporterat en ny mekanism för att påskynda laddningen av litiumjonbatterier för elfordon. Att helt enkelt utsätta katoden för en stråle av koncentrerat ljus - till exempel det vita ljuset från en xenonlampa - sänker batteriets laddningstid med en anmärkningsvärd faktor på två eller fler. Om det kommersialiseras, sådan teknik kan vara en växlare för elfordon.

Ägare av elfordon är väl medvetna om "räckviddsångest" eftersom laddningsnivån är låg eller när den närmaste laddstationen verkar för avlägsen. Snabbladdning är fortfarande en kritisk utmaning om sådana fordon någonsin ska fånga ett stort segment av transportmarknaden. Att ladda för en elbil på tom tar normalt cirka åtta timmar.

Det finns nu särskilda överladdningsstationer som uppnår ultrasnabb laddning av elfordon genom att leverera en mycket högre ström till batteriet. Passerar för mycket ström på för kort tid, dock, försämrar batteriets prestanda.

Vanligtvis, litiumjonbatterier för fordon laddas långsamt för att få en fullständig elektrokemisk reaktion. Denna reaktion innebär att litium tas bort från oxidkatoden och sätts in i grafitanoden.

"Vi ville förkorta denna laddningsreaktion kraftigt utan att skada elektroderna från det resulterande högre strömflödet, "sa Christopher Johnson, Argonne Distinguished Fellow och gruppledare inom divisionen Chemical Sciences and Engineering.

Dagens litiumjonbatterier fungerar i mörkt tillstånd, med elektroderna inrymda i ett fodral. Argonnes fotoassisterade teknik skulle använda en transparent behållare som låter koncentrerat ljus belysa batteriets elektroder under laddning.

För att undersöka laddningsprocessen, forskargruppen tillverkade små litiumjonceller ("myntceller") med transparenta kvartsfönster. De testade sedan dessa celler med och utan att vitt ljus lyser genom fönstret på katoden.

"Vi antog att under laddning, vitt ljus skulle interagera positivt med det typiska katodmaterialet, och det visade sig vara fallet i våra celltester, "Sa Johnson. Det katodmaterialet är en litiummanganoxid, förkortas som LiMn ₂ O ₄ (LMO).

Den viktigaste ingrediensen i denna gynnsamma reaktion är ljusets samspel med LMO, ett halvledande material som är känt att interagera med ljus. Medan fotonerna absorberas i ljuset under laddning, elementet mangan i LMO ändrar sitt laddningstillstånd från trivalent till tetravalent (Mn ³⁺ till Mn ⁴⁺ ). Som svar, litiumjoner matar ut snabbare från katoden än vad som skulle ske utan foton-excitationsprocessen.

Detta tillstånd driver batteriets reaktion snabbare. Teamet fann att den snabbare reaktionen resulterade i snabbare laddning utan att försämra batteriets prestanda eller livslängd. "Våra celltester visade en faktor på två minskningar i laddningstiden när lampan var tänd, "Sa Johnson.

Forskargruppen utförde detta arbete som en del av Center for Electrochemical Energy Science (CEES), ett DOE Energy Frontier Research Center (EFRC) under ledning av Argonne.

"Denna forskning är ett bra exempel på hur CEES:s mål att förstå elektrodprocesserna i litiumjonbatterier möjliggör viktiga framsteg som påverkar teknik, "sa Paul Fenter, CEES -direktör och seniorfysiker inom divisionen Chemical Sciences and Engineering. "Detta är en symbol för de förändringar som EFRC -programmet kan uppnå."

Johnson tillade att "Detta fynd är det första i sitt slag där ljus- och batteriteknik slås samman, och denna korsning bådar gott för framtiden för innovativa laddningskoncept för batterier. "

Fordonsteknologikontoret för DOE:s kontor för energieffektivitet och förnybar energi har identifierat snabbladdning som en kritisk utmaning för att säkerställa massanpassning av elfordon med ett mål på 15 minuter. laddningstid, och denna forskning kan vara en nyckel för att göra detta möjligt.

Denna forskning dök upp i Naturkommunikation , med titeln "Fotoaccelererad snabb laddning av litiumjonbatterier."