Oorspronkelijk gepubliceerd door Berkeley Lab
Nieuwe batterijtechnologie die in Berkeley Lab is ontwikkeld, kan vliegen mogelijk maken voor elektrische verticale start- en landingsvliegtuigen (eVTOL) en veilige elektrische auto's met een groot bereik opladen
Op zoek naar een oplaadbare batterij die elektrische voertuigen (EV's) honderden kilometers van stroom kunnen voorzien op een enkele lading, hebben wetenschappers geprobeerd de grafietanodes die momenteel in EV-batterijen worden gebruikt, te vervangen door lithium-metaalanodes.
Maar hoewel lithiummetaal het rijbereik van een EV met 30-50% vergroot, verkort het ook de levensduur van de batterij vanwege lithiumdendrieten, kleine boomachtige defecten die zich tijdens vele laad- en ontlaadcycli op de lithiumanode vormen. Erger nog, dendrieten sluiten de cellen in de batterij kort als ze contact maken met de kathode.
Decennialang gingen onderzoekers ervan uit dat harde, vaste elektrolyten, zoals die van keramiek, het beste zouden werken om te voorkomen dat dendrieten zich een weg door de cel banen. Maar het probleem met die aanpak, vonden velen, is dat het in de eerste plaats niet stopte met de vorming of 'kiemvorming' van dendrieten, zoals kleine scheurtjes in de voorruit van een auto die zich uiteindelijk uitbreidden.
Nu hebben onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy, in samenwerking met Carnegie Mellon University, in het tijdschrift Nature Materials een nieuwe klasse zachte, vaste elektrolyten gerapporteerd - gemaakt van zowel polymeren als keramiek - die dendrieten onderdrukken in die vroege kiemvormingsfase, voordat ze zich kunnen voortplanten en ervoor zorgen dat de batterij faalt.
De technologie is een voorbeeld van de multidisciplinaire samenwerking van Berkeley Lab in alle gebruikersfaciliteiten om nieuwe ideeën te ontwikkelen voor het assembleren, karakteriseren en ontwikkelen van materialen en apparaten voor solid-state batterijen.
Solid-state energieopslagtechnologieën zoals solid-state lithium-metaalbatterijen, die een vaste elektrode en een vaste elektrolyt gebruiken, kunnen een hoge energiedichtheid bieden in combinatie met uitstekende veiligheid, maar de technologie moet verschillende uitdagingen op het gebied van materialen en verwerking overwinnen.
Onze dendrietonderdrukkende technologie heeft opwindende implicaties voor de batterij-industrie”, zegt co-auteur Brett Helms, een stafwetenschapper in de Molecular Foundry van Berkeley Lab. "Hiermee kunnen batterijfabrikanten veiligere lithium-metaalbatterijen produceren met zowel een hoge energiedichtheid als een lange levensduur."
Helms voegde eraan toe dat lithium-metaalbatterijen die met de nieuwe elektrolyt zijn vervaardigd, ook kunnen worden gebruikt om elektrische vliegtuigen van stroom te voorzien.
De sleutel tot het ontwerp van deze nieuwe zachte, vaste elektrolyten was het gebruik van zachte polymeren met intrinsieke microporositeit, of PIM's, waarvan de poriën waren gevuld met keramische deeltjes van nanogrootte. Omdat de elektrolyt een flexibel, zacht, vast materiaal blijft, zullen batterijfabrikanten in staat zijn om rollen lithiumfolie te vervaardigen met de elektrolyt als laminaat tussen de anode en de batterijscheider. Deze subassemblages van lithiumelektroden, of LESA's, zijn aantrekkelijke vervangingen voor de conventionele grafietanode, waardoor batterijfabrikanten hun bestaande assemblagelijnen kunnen gebruiken, zei Helms.
Het Helms-team gebruikte röntgenstralen bij Berkeley Lab's Advanced Light Source om 3D-beelden te maken van de interface tussen lithiummetaal en de elektrolyt. (Tegoed:Brett Helms/Berkeley Lab)
Om de dendrietonderdrukkende eigenschappen van het nieuwe PIM-composietelektrolyt te demonstreren, gebruikte het Helms-team röntgenstralen in de geavanceerde lichtbron van Berkeley Lab om 3D-beelden te maken van de interface tussen lithiummetaal en de elektrolyt, en om lithiumplating en stripping voor meer dan tot 16 uur bij hoge stroom. Een continue vlotte groei van lithium werd waargenomen toen de nieuwe samengestelde PIM-elektrolyt aanwezig was, terwijl bij afwezigheid de interface veelbetekenende tekenen vertoonde van de vroege stadia van dendritische groei.
Deze en andere gegevens bevestigden voorspellingen van een nieuw fysisch model voor de elektrodepositie van lithiummetaal, dat rekening houdt met zowel chemische als mechanische eigenschappen van de vaste elektrolyten.
In 2017, toen de conventionele wijsheid was dat je een harde elektrolyt nodig hebt, stelden we voor dat een nieuw dendrietonderdrukkingsmechanisme mogelijk is met een zachte vaste elektrolyt, "zei co-auteur Venkat Viswanathan, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en faculteitsgenoot bij Scott. Institute for Energy Innovation aan de Carnegie Mellon University, die de theoretische studies voor het werk leidde. "Het is verbazingwekkend om een materiële realisatie van deze aanpak te vinden met PIM-composieten."
Een winnaar van het Advanced Research Projects Agency-Energy's (ARPA-E) IONICS-programma, 24M Technologies, heeft deze materialen geïntegreerd in batterijen van groter formaat voor zowel EV's als elektrische verticale start- en landingsvliegtuigen, of eVTOL.
Hoewel er unieke stroomvereisten zijn voor EV's en eVTOL's, lijkt de PIM Composite Solid Electrolyte-technologie veelzijdig te zijn en mogelijk te maken bij hoog vermogen", aldus Helms.
Onderzoekers van Berkeley Lab en Carnegie Mellon University namen deel aan het onderzoek.
De Molecular Foundry en Advanced Light Source zijn gebruikersfaciliteiten van het DOE Office of Science die samen in Berkeley Lab zijn gevestigd.
Dit werk werd ondersteund door het Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) en het DOE Office of Science. Aanvullende financiering werd verstrekt door het DOE Office of Workforce Development for Teachers and Scientists, waardoor niet-gegradueerde studenten konden deelnemen aan het onderzoek via het Science Undergraduate Laboratory Internships-programma.
Nieuw-Zeeland test Wisk eVTOL Flying Taxi
Lawrence Berkeley National Laboratory en zijn wetenschappers, opgericht in 1931 in de overtuiging dat de grootste wetenschappelijke uitdagingen het beste kunnen worden aangepakt door teams, zijn bekroond met 13 Nobelprijzen. Tegenwoordig ontwikkelen onderzoekers van Berkeley Lab duurzame energie- en milieuoplossingen, creëren ze nuttige nieuwe materialen, verleggen ze de grenzen van de computer en onderzoeken ze de mysteries van het leven, de materie en het universum. Wetenschappers van over de hele wereld vertrouwen op de faciliteiten van het Lab voor hun eigen ontdekkingswetenschap. Berkeley Lab is een nationaal laboratorium met meerdere programma's, beheerd door de University of California voor het Office of Science van het Amerikaanse ministerie van Energie.
DOE's Office of Science is de grootste voorstander van fundamenteel onderzoek in de natuurwetenschappen in de Verenigde Staten en werkt aan het aanpakken van enkele van de meest urgente uitdagingen van onze tijd. Ga voor meer informatie naar energy.gov/science.
Vliegende taxi, afbeelding met dank aan Wisk Uitgelichte afbeelding, een CCS-stekker in Europese stijl op een Tesla Model 3. Dit is een van de normen die India overweegt te hanteren voor het opladen van EV's. Foto door Tesla.