Forskare vid Energy Department's National Renewable Energy Laboratory (NREL) vänder sig till extremt små rör och stavar för att öka kraften och hållbarheten i litiumjonbatterier, energikällorna för mobiltelefoner, bärbara datorer, och elfordon. Om det lyckas, batterierna håller längre och fungerar bättre, leder till en kostnadsfördel för elfordon.

Transport och kommunikation runt om i världen förlitar sig alltmer på litiumjonbatterier, med mobiltelefoner överallt på sex kontinenter, och elfordon i farten att accelerera från en världsomspännande marknad på 1 miljard dollar 2009 till 14 miljarder dollar 2016, enligt analytikerna Frost och Sullivan.

NRELs energilagringsgrupp arbetar med energiavdelningen, utvecklare av bilbatterier, och biltillverkare för att förbättra prestanda och hållbarhet hos avancerade litiumjonbatterier för en renare, säkrare transportframtid, sade Energy Storage Group Manager Ahmad Pesaran. "Nanorörsmetoden representerar en spännande möjlighet - att förbättra prestandan hos laddningsbara litiumjonbatterier samtidigt som de håller längre, "Att öka livslängden och prestandan för laddningsbara batterier kommer att minska de totala kostnaderna för elfordon och göra oss mindre beroende av utländska energikällor", sa Pesaran.

Forskare vid NREL har skapat kristallina nanorör och nanorods för att attackera de stora utmaningarna som finns med litiumjonbatterier:de kan bli för varma, väger för mycket, och är mindre än fantastiska på att leda elektricitet och snabbt ladda och ladda ur.

NREL:s senaste bidrag till mycket förbättrade batterier är högpresterande, pärmfri, kol-nanorör-baserade elektroder. Tekniken har snabbt väckt intresse från industrin och licensieras till NanoResearch, Inc., för volymproduktion.

Nanoteknik hänvisar till manipulation av materia på atomär eller molekylär skala. Hur liten? En nanometer är en miljarddels meter; det skulle ta 1, 000 av nanorören i NREL:s projekt ställde upp bredvid varandra för att korsa bredden på ett människohår.

Än, forskare vid NREL kan inte bara skapa användbara föremål som är små, men styr deras formationer till speciella former. De har kombinerat nanorör och nanorod på ett sådant sätt att de kan underlätta batteriladdningen samtidigt som de minskar svullnad och krympning som leder till elektroder med förkortad livslängd.

"Tänk på ett litiumjonbatteri som ett fågelbo, " NREL-forskaren Chunmei Ban sa. "NREL-metoden använder nanorods för att förbättra vad som händer inuti, samtidigt som man säkerställer att boet förblir hållbart och motståndskraftigt."

"Vi ändrar arkitekturen, ändrar kemin något, "utan att byta själva batteriet, Hon sa.

NREL:s arbete stöddes av energidepartementets fordonsteknikkontor under programmet Battery for Advanced Transportation Technologies (BATT), som fokuserar på att minska kostnaderna och förbättra prestandan och hållbarheten hos litiumjonbatterierna som driver elfordon.

Kolnanorör både binder och leder

Typiska litiumjonbatterier använder separata material för att leda elektroner och binda aktivt material, men NREL:s tillvägagångssätt använder kolnanorör för båda funktionerna. "Det förbättrar vår massbelastning, vilket resulterar i att mer energi packas in i samma utrymme, så bättre energiuttag för batteriet, ", sa Ban. "NREL-metoden hjälper också till med reversibilitet - reversering av kemiska reaktioner som gör att batteriet kan laddas med elektrisk ström under drift. Om vi ​​kan förbättra hållbarheten och reversibiliteten, vi sparar definitivt pengar och minskar kostnaderna."

Enkelväggiga kolnanorör (SWCNT) är dyra, men forskare och ingenjörer som arbetar inom området är övertygade om att när användningen av SWCNT-baserade elektroder växer bredare, deras pris kommer att falla till en punkt där de är ekonomiskt vettiga när det gäller batterier, sa ban.

I ett litiumjonbatteri, litiumjoner rör sig fram och tillbaka i grafitanoden genom en elektrolyt; jonerna injiceras mellan kolskikten av grafit, som är hållbart men onödigt tätt. På samma gång, elektroner strömmar utanför batteriet genom en elektrisk belastning från katoden till anoden. Elektrolyter är viktiga i uppladdningsbara batterier eftersom de stänger kretsen inuti batterierna genom att tillåta joner att överföra; annat, batteriet kan inte fortsätta att leda elektricitet från de positiva till de negativa polerna och tillbaka igen.

Högenergimaterial, såsom metalloxider och kiselanoder, har massiva volymförändringar när litiumjoner injiceras och extraheras från elektrodmaterialet. De sväller och krymper, samlas i en klunga och rör vid varandra, krymper unisont, orsakar kollaps och efterföljande sprickor som kan skada prestandan, leder till förstörelse av elektroden och därmed lägre livslängd.

Vissa metalloxider gör ett bättre jobb än grafit för att samarbeta med elektroderna. Men medan de förbättrar energiinnehållet och reverserande funktioner, de bidrar fortfarande till den stora volymökningen och förstörelsen av den inre strukturen.

NREL-teamet vände sig till järnoxid, som är rikligt, säker, billig, och visar mycket lovande. Än, att vara effektiv, storleken på järnoxidnanopartiklarna måste vara precis lagom – och måste hållas i en stark matris som var både flexibel och motståndskraftig för att hantera stora volymförändringar samtidigt som den leder elektriciteten optimalt.

NREL utnyttjade de unika egenskaperna hos SWCNT för att möta utmaningarna med värme, vikt, och laddar ur allt på en gång. "Vi använder kolnanoröret i detta flexibla nätverk för att göra ett ledande repliknande omslag, " sa ban. Så, när det krymper, dessa omslag tillåter elektronerna att nå järnoxiden och fortsätta på den ledande banan oförminskad. Att använda nanopartiklar förkortar diffusionslängden, förbättra kapaciteten för snabb laddning och urladdning. Att använda rikligt med billigt material innebär mindre behov av så dyra metaller som kobolt, används för närvarande i litiumjonbatteriers katoder, sänker de totala kostnaderna."

Bygga bättre anoder och katoder

SWCNT med järnoxidlösning producerade en effekttäthet som var tre gånger så stor som grafit, vilket innebär stark prestanda samtidigt som man eliminerar mycket av vikten av ett batteri som är beroende av grafit. Att ta sig dit, det var viktigt att järnoxidpartiklarna fördelades jämnt i de omgivande nanorören.

Ban och NREL-kollegan Zhuangchun Wu använde hydrotermisk syntes och vakuumfiltrering för att bygga litiumjonanoder som inte kräver de typiska bindemedlen (vidhäftningsstyrkan som gör att batteriet tål laddnings-urladdningscykler) men som ändå har hög kapacitet. Det första steget var att göra nanorods av järnoxid som prekursorer för tillverkning av elektroder. Ban och hennes kollegor upptäckte att vid 450°C, glödgning av järnhydroxidnanoroderna med SWCNTs skulle producera järnoxid. Och, SWCNTs bidrog bara med 5 % till vikten. Inte bara underlättade SWCNTs faktiskt bildandet av järnoxidpartiklarna, men de säkerställde utmärkt fysisk och elektrisk kontakt mellan de två materialen.

För katodelektroder, de bäddade in NMC – litiumnickel mangan koboltoxid – i nanorören, vilket gör att nanopartiklarna blir mycket ledande. Den resulterande nanokompositen behåller 92 % av sin ursprungliga förmåga att lagra och leda elektriska laddningar även efter 500 cykler av laddning och omladdning.

Expertis inom våtkemisyntes vägledde de idealiska formerna

Det är inte så lätt som att bara lägga nanomaterial i batterier, sa ban. "Du behöver en speciell process för att få det att fungera." Ban och hennes NREL-kollegor Wu och Anne Dillon använde en vakuumfiltreringsprocess för att kombinera billig järnoxid med kolnanorör.

Ban tog med sin erfarenhet av våtkemisyntes till utmaningen att påverka formerna på nanomaterialen för att göra dem i form av stavar. "Vi vet hur man ändrar syntesförhållandena för att styra designen eller förverkliga strukturen och formen av nanomaterial, " sa Ban.

De valde en stavform eftersom de trodde att den skulle integreras väl med nanotrådarna och krökningarna av nanorör, linda runt dem för att skapa en robust elektrod. De ovanligt långa och mycket flexibla strängarna i nanomaterialen är avgörande för elektrodernas överlägsna egenskaper. De fäster intimt till partiklarna, och deras porositet möjliggör ideal diffusion.

Ett uppladdningsbart batteri som håller

De innovativa elektroderna som skapats av NREL kan innebära överlägsen kapacitet, prestanda, och säkerhet för litiumjonbatterier.

David Addie Noye, som grundade NanoResearch, Inc., med en plan för att kommersialisera beprövade nanovetenskapliga innovationer, besökte NREL, såg processen, och beslutade att licensiera tekniken. Nanomaterialkemiinnovationen och tillverkningsprocessinnovationen som resulterar i bindemedelsfria elektroder "är en spelförändring eftersom den hjälper till att lösa ett grundläggande problem som litiumjonbatteriindustrin inte har kunnat lösa på decennier, " han sa.

Förbättringarna i litiumjonbatterierna som erbjuds av NREL:s tillvägagångssätt kan också göra skillnad inom bärbar hemelektronik, som bärbara datorer, tabletter, mobiltelefoner, och bärbara media, såväl som de stationära energilagringsanordningarna som kommer att bli allt viktigare i takt med att mer förnybar energi från variabel generation kommer in i nätet.

"Vi gör inte ett nytt batteri, men vi ändrar arkitekturen något genom att använda SWCT-omslagna metalloxidanoder, " sade ban. "Genom att göra det, vi förbättrar massbelastningen, energiutgång per vikt, och volym." Processen säkerställer en snabbare laddning, och det är det som är viktigast för tillverkare och deras kunder. Det innebär färre resor till laddstationen, och ett batteri som fortsätter och går och går.