Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory och University of Tennessee, Knoxville, upptäckte ett nyckelmaterial som behövs för snabbladdning av litiumjonbatterier. Det kommersiellt relevanta tillvägagångssättet öppnar en potentiell väg för att förbättra laddningshastigheterna för elfordon.

Litiumjonbatterier, eller LIB, spelar en viktig roll i landets portfölj av ren energiteknik. De flesta hybridelektriska och helelektriska fordon använder LIB. Dessa laddningsbara batterier erbjuder fördelar i tillförlitlighet och effektivitet eftersom de kan lagra mer energi, ladda snabbare och hålla längre än traditionella blybatterier. Tekniken utvecklas dock fortfarande, och grundläggande framsteg behövs för att uppfylla prioriteringar för att förbättra kostnaden, räckvidden och laddningstiden för elbilsbatterier.

"Att övervinna dessa utmaningar kommer att kräva framsteg inom material som är mer effektiva och syntesmetoder som är skalbara för industrin", säger ORNL Corporate Fellow och motsvarande författare Sheng Dai.

Resultat publicerade i Advanced Energy Materials demonstrera ett nytt snabbladdande batterianodmaterial som uppnåtts genom att använda en skalbar syntesmetod. Teamet upptäckte en ny förening av molybden-volfram-niobat, eller MWNO, med snabb laddningsbarhet och hög effektivitet som potentiellt skulle kunna ersätta grafit i kommersiella batterier.

I decennier har grafit varit det bästa materialet som använts för att tillverka LIB-anoder. I grundläggande batterikonstruktion är två solida elektroder - en positiv anod och en negativ katod - sammankopplade med en elektrolytlösning och en separator. I LIB:er rör sig litiumjoner fram och tillbaka mellan katoden och anoden för att lagra och frigöra energi som driver enheter. En utmaning för grafitanoder är att elektrolyten sönderdelas och bildar en ansamling på anodytan under laddningsprocessen. Denna uppbyggnad saktar ner rörelsen av litiumjoner och kan begränsa batteriets stabilitet och prestanda.

"På grund av denna tröga litiumjonrörelse ses grafitanoder som en vägspärr för extrem snabb laddning. Vi letar efter nya, billiga material som kan överträffa grafit", säger ORNL postdoktor och första författare Runming Tao. DOE:s extrema snabbladdningsmål för elfordon är satt till 15 minuter eller mindre för att konkurrera med bränsletider på gasdrivna fordon, en milstolpe som inte har uppfyllts med grafit.

"Vårt tillvägagångssätt fokuserar på icke-grafitmaterial, men dessa har också begränsningar. Några av de mest lovande materialen - niobbaserade oxider - har komplicerade syntesmetoder som inte är väl lämpade för industrin," sa Tao.

Konventionell syntes av nioboxider som MWNO är en energikrävande process över öppen låga som också genererar giftigt avfall. Ett praktiskt alternativ skulle kunna driva MWNO-material att bli seriösa kandidater för avancerade batterier. Forskare vände sig till den väletablerade sol-gel-processen, känd för säkerhet och enkelhet. Till skillnad från konventionell högtemperatursyntes är sol-gel-processen en lågtemperaturkemisk metod för att omvandla en flytande lösning till ett fast, eller gel, material och används vanligtvis för att tillverka glas och keramik.

Teamet förvandlade en blandning av jonisk vätska och metallsalter till en porös gel som behandlades med värme för att förbättra materialets slutliga egenskaper. Lågenergistrategin möjliggör också att det joniska flytande lösningsmedlet som används som mall för MWNO kan återvinnas och återvinnas.

"Detta material arbetar med en högre spänning än grafit och är inte benäget att bilda vad som kallas ett "passiveringsfast elektrolytskikt" som saktar ner litiumjonrörelsen under laddning. Dess exceptionella kapacitet och snabbladdningshastighet, kombinerat med en skalbar syntesmetoden, gör den till en attraktiv kandidat för framtida batterimaterial", sa Tao.

Nyckeln till materialets framgång är en nanoporös struktur som ger förbättrad elektrisk ledningsförmåga. Resultatet ger mindre motstånd mot rörelsen av litiumjoner och elektroner, vilket möjliggör snabb uppladdning.

"Studien uppnår en skalbar syntesmetod för ett konkurrenskraftigt MWNO-material samt ger grundläggande insikter om framtida design av elektrodmaterial för en mängd olika energilagringsenheter", säger Dai. + Utforska vidare

Forskare upptäcker innovativa metoder för att tillverka nya litiumjonbatterimaterial