Oorspronkelijk gepubliceerd op Stanford | Nieuws Wetenschap
Door Mark Shwartz
Onderzoekers van Stanford hebben een nieuwe elektrolyt ontworpen voor lithium-metaalbatterijen die het rijbereik van elektrische auto's zou kunnen vergroten. Bekijk de video hieronder.
Een nieuwe op lithium gebaseerde elektrolyt, uitgevonden door wetenschappers van Stanford University, zou de weg kunnen effenen voor de volgende generatie elektrische voertuigen op batterijen.
Verbrandbaarheidstest op nieuwe elektrolyt voor lithium-metaalbatterijen (met dank aan Stanford ENERGY)
In een studie gepubliceerd op 22 juni in Nature Energy , laten Stanford-onderzoekers zien hoe hun nieuwe elektrolytontwerp de prestaties van lithium-metaalbatterijen verbetert, een veelbelovende technologie voor het aandrijven van elektrische voertuigen, laptops en andere apparaten.
"De meeste elektrische auto's rijden op lithium-ionbatterijen, die snel hun theoretische limiet voor energiedichtheid naderen", zegt co-auteur Yi Cui, hoogleraar materiaalkunde en techniek en fotonenwetenschap aan het SLAC National Accelerator Laboratory. "Ons onderzoek was gericht op lithium-metaalbatterijen, die lichter zijn dan lithium-ionbatterijen en mogelijk meer energie kunnen leveren per gewichts- en volume-eenheid."
Lithium-ionbatterijen, die in alles worden gebruikt, van smartphones tot elektrische auto's, hebben twee elektroden:een positief geladen kathode die lithium bevat en een negatief geladen anode die meestal van grafiet is gemaakt. Een elektrolytoplossing zorgt ervoor dat lithiumionen heen en weer kunnen pendelen tussen de anode en de kathode wanneer de batterij wordt gebruikt en wanneer deze wordt opgeladen.
Een lithium-metaalbatterij kan ongeveer twee keer zoveel elektriciteit per kilogram bevatten als de conventionele lithium-ionbatterij van vandaag. Lithium-metaalbatterijen doen dit door de grafietanode te vervangen door lithiummetaal, dat aanzienlijk meer energie kan opslaan.
"Lithiummetaalbatterijen zijn veelbelovend voor elektrische voertuigen, waar gewicht en volume een grote zorg zijn", zegt co-auteur Zhenan Bao, de K.K. Lee Professor aan de School of Engineering. “Maar tijdens bedrijf reageert de lithiummetaalanode met de vloeibare elektrolyt. Dit veroorzaakt de groei van lithiummicrostructuren, dendrieten genaamd, op het oppervlak van de anode, waardoor de batterij in brand kan vliegen en defect kan raken.”
Onderzoekers hebben decennialang geprobeerd het dendrietprobleem aan te pakken.
"De elektrolyt was de achilleshiel van lithium-metaalbatterijen", zegt mede-hoofdauteur Zhiao Yu, een afgestudeerde student scheikunde. "In ons onderzoek gebruiken we organische chemie om rationeel nieuwe, stabiele elektrolyten voor deze batterijen te ontwerpen en te creëren."
Voor het onderzoek onderzochten Yu en zijn collega's of ze de stabiliteitsproblemen konden aanpakken met een gewone, in de handel verkrijgbare vloeibare elektrolyt.
"We veronderstelden dat het toevoegen van fluoratomen aan het elektrolytmolecuul de vloeistof stabieler zou maken," zei Yu. “Fluor is een veelgebruikt element in elektrolyten voor lithiumbatterijen. We hebben zijn vermogen om elektronen aan te trekken gebruikt om een nieuw molecuul te maken waardoor de lithiummetaalanode goed kan functioneren in de elektrolyt.”
Het resultaat was een nieuwe synthetische verbinding, afgekort FDMB, die gemakkelijk in bulk kan worden geproduceerd.
"Elektrolytontwerpen worden erg exotisch," zei Bao. "Sommige hebben een goede belofte getoond, maar zijn erg duur om te produceren. Het FDMB-molecuul dat Zhiao bedacht, is gemakkelijk in grote hoeveelheden te maken en vrij goedkoop.”
Het Stanford-team testte de nieuwe elektrolyt in een lithium-metaalbatterij.
De resultaten waren dramatisch. De experimentele batterij behield 90 procent van zijn oorspronkelijke lading na 420 cycli van opladen en ontladen. In laboratoria werken typische lithium-metaalbatterijen na ongeveer 30 cycli niet meer.
De onderzoekers hebben ook gemeten hoe efficiënt lithiumionen worden overgedragen tussen de anode en de kathode tijdens het laden en ontladen, een eigenschap die bekend staat als 'coulomb-efficiëntie'.
"Als u 1.000 lithiumionen oplaadt, hoeveel krijgt u er dan weer van terug?" zei Cui. “Idealiter wil je 1.000 van de 1.000 voor een coulombefficiëntie van 100 procent. Om commercieel levensvatbaar te zijn, heeft een batterijcel een coulombefficiëntie van ten minste 99,9 procent nodig. In onze studie kregen we 99,52 procent in de halve cellen en 99,98 procent in de volledige cellen; een ongelooflijke prestatie.”
Voor potentieel gebruik in consumentenelektronica heeft het Stanford-team de FDMB-elektrolyt ook getest in anodevrije lithium-metaalzakcellen - in de handel verkrijgbare batterijen met kathodes die lithium aan de anode leveren.
"Het idee is om alleen lithium aan de kathodekant te gebruiken om het gewicht te verminderen", zegt co-hoofdauteur Hansen Wang, een afgestudeerde student materiaalwetenschappen en techniek. "De anodevrije batterij liep 100 cycli voordat de capaciteit daalde tot 80 procent - niet zo goed als een equivalente lithium-ionbatterij, die 500 tot 1.000 cycli meegaat, maar nog steeds een van de best presterende anodevrije cellen."
"Deze resultaten zijn veelbelovend voor een breed scala aan apparaten", voegde Bao eraan toe. "Lichtgewicht, anodevrije batterijen zullen een aantrekkelijke functie zijn voor drones en vele andere consumentenelektronica."
Het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) financiert een groot onderzoeksconsortium genaamd Battery500 om lithium-metaalbatterijen levensvatbaar te maken, waardoor autofabrikanten lichtere elektrische voertuigen kunnen bouwen die veel grotere afstanden tussen oplaadbeurten kunnen afleggen. Deze studie werd gedeeltelijk ondersteund door een subsidie van het consortium, waaronder Stanford en SLAC.
Door anodes, elektrolyten en andere componenten te verbeteren, wil Battery500 de hoeveelheid elektriciteit die een lithium-metaalbatterij kan leveren bijna verdrievoudigen, van ongeveer 180 wattuur per kilogram toen het programma in 2016 begon tot 500 wattuur per kilogram. Een hogere energie-gewichtsverhouding, of 'specifieke energie', is de sleutel tot het oplossen van de angst voor actieradius die potentiële kopers van elektrische auto's vaak hebben.
"De anodevrije batterij in ons laboratorium haalde ongeveer 325 wattuur per kilogram specifieke energie, een respectabel aantal", zei Cui. "Onze volgende stap zou kunnen zijn om samen te werken met andere onderzoekers in Battery500 om cellen te bouwen die het doel van het consortium van 500 wattuur per kilogram benaderen."
Naast een langere levensduur en betere stabiliteit, is de FDMB-elektrolyt ook veel minder ontvlambaar dan conventionele elektrolyten, zoals de onderzoekers in deze video hebben aangetoond.
"Onze studie biedt in feite een ontwerpprincipe dat mensen kunnen toepassen om betere elektrolyten te bedenken", voegde Bao eraan toe. "We hebben slechts één voorbeeld laten zien, maar er zijn veel andere mogelijkheden."
Andere mede-auteurs van Stanford zijn onder meer Jian Qin , universitair docent chemische technologie; postdoctorale wetenschappers Xian Kong, Kecheng Wang, Wenxiao Huang, Snehashis Choudhury en Chibueze Amanchukwu; afgestudeerde studenten William Huang, Yuchi Tsao, David Mackanic, Yu Zheng en Samantha Hung; en studenten Yuting Ma en Eder Lomeli. Xinchang Wang van de Universiteit van Xiamen is ook co-auteur. Zhenan Bao en Yi Cui zijn senior fellows bij Stanford's Precourt Instituut voor Energie . Cui is ook hoofdonderzoeker bij de Stanford Institute for Materials &Energy Science , een joint SLAC/Stanford onderzoeksprogramma.
Dit werk werd ook ondersteund door het Battery Materials Research Program in het DOE Office of Vhicular Technologies. De faciliteit die bij Stanford wordt gebruikt, wordt ondersteund door de National Science Foundation.
"Brandbaarheidstest op nieuwe elektrolyt voor lithium-metaalbatterijen", Uitgelichte afbeelding met dank aan Stanford ENERGY-video
