Jämfört med superkondensatorer och batterier, SMC:er (med tre olika elektrodtjocklekar som visas) erbjuder både hög effekttäthet och hög energitäthet. Bildupphovsrätt:Jang, et al. ©2011 American Chemical Society
(PhysOrg.com) -- Den har alla sken av ett genombrott inom batteriteknik, förutom att det inte är ett batteri. Forskare vid Nanotek Instruments, Inc., och dess dotterbolag Angstron Materials, Inc., i Dayton, Ohio, har utvecklat ett nytt paradigm för att designa energilagringsenheter som är baserat på att snabbt transportera ett stort antal litiumjoner mellan elektroder med massiva grafenytor. Energilagringsenheten kan visa sig vara extremt användbar för elfordon, där det kan minska laddningstiden från timmar till mindre än en minut. Andra tillämpningar kan inkludera lagring av förnybar energi (t.ex. lagring av sol- och vindenergi) och smarta nät.
Forskarna kallar de nya enheterna "grafenytaktiverade litiumjonbytande celler, "eller enklare, "ytmedierade celler" (SMC). Även om enheterna för närvarande använder ooptimerade material och konfigurationer, de kan redan överträffa Li-ion-batterier och superkondensatorer. De nya enheterna kan leverera en effekttäthet på 100 kW/kgcell, vilket är 100 gånger högre än för kommersiella Li-ion-batterier och 10 gånger högre än för superkondensatorer. Ju högre effekttäthet, desto snabbare är energiöverföringen (vilket resulterar i en snabbare laddningstid). Dessutom, de nya cellerna kan lagra en energitäthet på 160 Wh/kg cell, vilket är jämförbart med kommersiella Li-ion-batterier och 30 gånger högre än konventionella superkondensatorer. Ju högre energitäthet, desto mer energi kan enheten lagra för samma volym (vilket resulterar i en längre räckvidd för elfordon).
"Med tanke på samma enhetsvikt, det nuvarande SMC- och Li-ion-batteriet kan ge ett elfordon (EV) med en jämförbar körräckvidd, ” Bor Z. Jang, medgrundare av Nanotek Instruments och Angstron Materials, berättade PhysOrg.com . "Våra SMC, precis som de nuvarande Li-ion-batterierna, kan förbättras ytterligare när det gäller energitäthet [och därmed räckvidd]. Dock, i princip, SMC kan laddas på några minuter (möjligen mindre än en minut), i motsats till timmar för Li-ion-batterier som används i nuvarande elbilar."
Jang och hans medförfattare på Nanotek Instruments och Angstron Materials har publicerat studien om nästa generations energilagringsenheter i ett nyligen utgivet nummer av Nanobokstäver . Båda företagen är specialiserade på kommersialisering av nanomaterial, med Angstron som världens största tillverkare av nanografenplättar (NGP).
Som forskarna förklarar i sin studie, batterier och superkondensatorer har var sin styrka och svaghet när det kommer till energilagring. Medan Li-ion-batterier ger en mycket högre energitäthet (120-150 Wh/kg cell ) än superkondensatorer (5 Wh/kg cell ), batterierna levererar en mycket lägre effekttäthet (1 kW/kg cell jämfört med 10 kW/kg cell ). Många forskargrupper har ansträngt sig för att öka krafttätheten hos Li-ion-batterier och öka energitätheten hos superkondensatorer, men båda områdena har fortfarande betydande utmaningar. Genom att tillhandahålla ett fundamentalt nytt ramverk för energilagringsenheter, SMC kan göra det möjligt för forskare att kringgå dessa utmaningar.
"Utvecklingen av denna nya klass av energilagringsenheter överbryggar prestandagapet mellan ett Li-ion-batteri och en superkondensator, sa Jang. "Mycket viktigare, detta i grunden nya ramverk för att konstruera energilagringsenheter skulle kunna göra det möjligt för forskare att uppnå både den höga energitätheten och den höga effekttätheten utan att behöva offra den ena för att uppnå den andra."
De stora ytareorna på SMC:s elektroder möjliggör snabb överföring av ett stort antal joner mellan elektroderna, vilket resulterar i en snabb laddningstid. Bildupphovsrätt:Jang, et al. ©2011 American Chemical Society
Nyckeln till SMCs prestanda är en katod och anod som innehåller mycket stora grafenytor. När man tillverkar cellen, forskarna lägger litiummetall (i form av partiklar eller folie) vid anoden. Under den första urladdningscykeln, litiumet joniseras, vilket resulterar i ett mycket större antal litiumjoner än i litiumjonbatterier. När batteriet används, jonerna migrerar genom en flytande elektrolyt till katoden, där jonerna kommer in i porerna och når den stora grafenytan inuti katoden. Under laddning, ett massivt flöde av litiumjoner migrerar snabbt från katoden till anoden. Elektrodernas stora ytareor möjliggör snabb överföring av ett stort antal joner mellan elektroderna, vilket resulterar i deras höga effekt- och energitätheter.
Som forskarna förklarar, utbytet av litiumjoner mellan de porösa elektrodernas ytor (och inte i huvuddelen av elektroden, som i batterier) tar helt bort behovet av den tidskrävande processen med interkalering. I denna process, litiumjonerna måste sättas in i elektroderna, som dominerar batteriernas laddningstid.
Även om forskarna i denna studie beredde olika typer av grafen (oxiderad, och reducerade enkellager och flerlager) från en mängd olika typer av grafit, ytterligare analys av materialen och konfigurationen behövs för att optimera enheten. För en sak, forskarna planerar att ytterligare undersöka cellernas livslängd. Än så länge, de fann att enheterna kunde behålla 95 % kapacitet efter 1, 000 cykler, och även efter 2, 000 cykler visade inga tecken på dendritbildning. Forskarna planerar också att undersöka de relativa rollerna för olika litiumlagringsmekanismer på enhetens prestanda.
"Vi förväntar oss inga större hinder för kommersialiseringen av SMC-tekniken, sa Jang. "Även om grafen för närvarande säljs till ett överpris, Angstron Materials, Inc., är aktivt engagerad i att skala upp produktionskapaciteten för grafen. Produktionskostnaderna för grafen förväntas minska dramatiskt inom de närmaste 1-3 åren."
Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivs eller omdistribueras helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.
