Oorspronkelijk gepubliceerd op het Office of Science van het Amerikaanse ministerie van Energie. Department of Energy National Labs, SLAC, Stanford Education News
Het toevoegen van polymeren en brandwerendheid aan de stroomcollectoren van een batterij maakt deze lichter, veiliger en ongeveer 20% efficiënter. Menlo Park, Californië . — In een geheel nieuwe benadering om lithium-ionbatterijen lichter, veiliger en efficiënter te maken, hebben wetenschappers van Stanford University en het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy een van de zwaarste batterijcomponenten opnieuw ontworpen:vellen koper- of aluminiumfolie die bekend staan als stroom. collectoren – ze wegen dus 80% minder en doven onmiddellijk alle branden die oplaaien.Indien aangenomen, aldus de onderzoekers, zou deze technologie twee belangrijke doelen van batterijonderzoek kunnen bereiken:het vergroten van het rijbereik van elektrische voertuigen en het verminderen van het gevaar dat laptops, mobiele telefoons en andere apparaten in brand vliegen. Dit is vooral belangrijk wanneer batterijen supersnel worden opgeladen, waardoor meer van de soorten batterijschade ontstaan die tot brand kunnen leiden.
Het onderzoeksteam beschreef hun werk in Natuurenergie vandaag.
"De huidige collector is altijd als dood gewicht beschouwd, en tot nu toe is het niet met succes gebruikt om de batterijprestaties te verbeteren", zegt Yi Cui, een professor aan SLAC en Stanford en onderzoeker bij het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES ) die het onderzoek leidde.
"Maar in ons onderzoek verhoogde het 80% lichter maken van de collector de energiedichtheid van lithium-ionbatterijen - hoeveel energie ze kunnen opslaan in een bepaald gewicht - met 16-26%. Dat is een grote sprong in vergelijking met de gemiddelde stijging van 3% in de afgelopen jaren.”
Wetenschappers van Stanford en SLAC hebben stroomgeleiders opnieuw ontworpen - dunne metaalfolies die stroom van en naar elektroden verdelen - om lithium-ionbatterijen lichter, veiliger en efficiënter te maken. Ze vervingen de volledig koperen geleider, midden, door een laag lichtgewicht polymeer gecoat in ultradun koper (rechtsboven) en ingebedde brandvertrager in de polymeerlaag om vlammen te doven (rechtsonder). (Yusheng Ye/Stanford University)
Of ze nu in de vorm van cilinders of zakjes zijn, lithium-ionbatterijen hebben twee stroomafnemers, één voor elke elektrode. Ze verdelen de stroom die in of uit de elektrode vloeit en nemen 15% tot wel 50% van het gewicht van sommige krachtige of ultradunne batterijen voor hun rekening. Het verminderen van het gewicht van een batterij is op zichzelf wenselijk, waardoor lichtere apparaten mogelijk zijn en het gewicht dat elektrische voertuigen moeten sjouwen, wordt verminderd; Door meer energie op te slaan per bepaald gewicht, kunnen zowel apparaten als EV's langer meegaan tussen oplaadbeurten.
Het verminderen van het gewicht en de ontvlambaarheid van de batterij kan ook een grote impact hebben op recycling door het transport van gerecyclede batterijen goedkoper te maken, zei Cui.
Onderzoekers in de batterij-industrie hebben geprobeerd het gewicht van stroomcollectoren te verminderen door ze dunner of poreuzer te maken, maar deze pogingen hebben ongewenste neveneffecten gehad, zoals batterijen kwetsbaarder of chemisch onstabieler maken of meer elektrolyt nodig hebben, wat de kosten verhoogt , zei Yusheng Ye, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Cui die de experimenten uitvoerde met gastwetenschapper Lien-Yang Chou.
Wat het veiligheidsprobleem betreft, zei hij:"Mensen hebben ook geprobeerd brandvertragende middelen toe te voegen aan de elektrolyt van de batterij, wat het ontvlambare deel is, maar je kunt maar zoveel toevoegen voordat het stroperig wordt en de ionen niet langer goed geleidt."
Een opnieuw ontworpen stroomafnemer voor lithium-ionbatterijen maakt batterijen lichter, energiezuiniger en veiliger. Het kan ook kosten besparen door koper te vervangen door goedkoper polymeer en door de kosten van het transport van batterijen voor recycling te verlagen. (Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory)
Na het brainstormen over het probleem ontwierpen Cui, Ye en afgestudeerde student Yayuan Liu experimenten voor het maken en testen van stroomcollectoren op basis van een lichtgewicht polymeer genaamd polyimide, dat bestand is tegen vuur en bestand is tegen de hoge temperaturen die worden veroorzaakt door snel opladen van de batterij. In het polymeer werd een brandvertrager – trifenylfosfaat of TPP – ingebed, die vervolgens aan beide oppervlakken werd gecoat met een ultradun laagje koper. Het koper zou niet alleen zijn gebruikelijke werk doen om stroom te verdelen, maar ook het polymeer en zijn brandvertrager beschermen.
Die veranderingen hebben het gewicht van de huidige collector met 80% verminderd in vergelijking met de huidige versies, zei Ye, wat zich vertaalt in een toename van de energiedichtheid van 16-26% in verschillende soorten batterijen, en het geleidt stroom net zo goed als gewone collectoren zonder degradatie.
Bij blootstelling aan open vuur vatten lithium-ionbatterijen, gemaakt met de huidige commerciële stroomcollectoren (bovenste rij), vlam en brandden krachtig totdat alle elektrolyt was weggebrand. Batterijen met de nieuwe vlamvertragende collectoren (onderste rij) produceerden zwakke vlammen die binnen enkele seconden uitgingen en niet opnieuw oplaaiden, zelfs niet toen de wetenschappers probeerden ze opnieuw aan te steken. (Yusheng Ye/Stanford University)
Toen ze werden blootgesteld aan een open vlam van een aansteker, vatten buidelbatterijen gemaakt met de huidige commerciële stroomcollectoren vlam en brandden krachtig totdat alle elektrolyt was weggebrand, zei Ye. Maar in batterijen met de nieuwe vlamvertragende collectoren kwam het vuur nooit echt op gang, met zeer zwakke vlammen die binnen een paar seconden uitgingen en niet meer laaiden, zelfs niet toen de wetenschappers probeerden het opnieuw aan te steken.
Een van de grote voordelen van deze aanpak, zei Cui, is dat de nieuwe collector gemakkelijk te vervaardigen en ook goedkoper moet zijn, omdat het een deel van het koper vervangt door een goedkoop polymeer. Dus het opschalen voor commerciële productie, zei hij, "zou heel goed te doen zijn." De onderzoekers hebben een patent aangevraagd via Stanford en Cui zei dat ze contact zullen opnemen met batterijfabrikanten om de mogelijkheden te verkennen.
Dit werk werd ondersteund door het DOE's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Vehicle Technologies Office in het kader van het programma eXtreme Fast Charge Cell Evaluation of Lithium-ion Batteries (XCEL).
Citaat: Yusheng Ye et al., Natuurenergie , 15 oktober 2020 (10.1038/s41560-020-00702-8)
SLAC is een levendig laboratorium met meerdere programma's dat onderzoekt hoe het universum werkt op de grootste, kleinste en snelste schaal en krachtige hulpmiddelen uitvindt die door wetenschappers over de hele wereld worden gebruikt. Met onderzoek dat zich uitstrekt over deeltjesfysica, astrofysica en kosmologie, materialen, scheikunde, bio- en energiewetenschappen en wetenschappelijke informatica, helpen we echte problemen op te lossen en de belangen van de natie te bevorderen.
SLAC wordt beheerd door Stanford University voor de VS Department of Energy's Office of Science . Het 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.
Afbeeldingen met dank aan SLAC, Stanford Education News
