Ursprungligen publicerad den Stanford | Nyheter Vetenskap
Av Mark Shwartz
Stanford-forskare har designat en ny elektrolyt för litiummetallbatterier som skulle kunna öka elbilarnas räckvidd. Se videon nedan.
En ny litiumbaserad elektrolyt som uppfunnits av forskare vid Stanford University kan bana väg för nästa generation av batteridrivna elfordon.
Brännbarhetstest på ny elektrolyt för litiummetallbatterier (med tillstånd av Stanford ENERGY)
I en studie publicerad 22 juni i Nature Energy , Stanford-forskare visar hur deras nya elektrolytdesign ökar prestandan hos litiummetallbatterier, en lovande teknik för att driva elfordon, bärbara datorer och andra enheter.
"De flesta elbilar drivs med litiumjonbatterier, som snabbt närmar sig sin teoretiska gräns för energitäthet", säger studiens medförfattare Yi Cui, professor i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap och fotonvetenskap vid SLAC National Accelerator Laboratory. "Vår studie fokuserade på litiummetallbatterier, som är lättare än litiumjonbatterier och potentiellt kan leverera mer energi per vikt- och volymenhet."
Litiumjonbatterier, som används i allt från smartphones till elbilar, har två elektroder – en positivt laddad katod som innehåller litium och en negativt laddad anod vanligtvis gjord av grafit. En elektrolytlösning tillåter litiumjoner att pendla fram och tillbaka mellan anoden och katoden när batteriet används och när det laddas upp.
Ett litiummetallbatteri kan hålla ungefär dubbelt så mycket el per kilo som dagens konventionella litiumjonbatteri. Litiummetallbatterier gör detta genom att ersätta grafitanoden med litiummetall, som kan lagra betydligt mer energi.
"Litiummetallbatterier är mycket lovande för elfordon, där vikt och volym är ett stort problem", säger studiens medförfattare Zhenan Bao, K.K. Lee professor vid School of Engineering. "Men under drift reagerar litiummetallanoden med den flytande elektrolyten. Detta orsakar tillväxt av litiummikrostrukturer som kallas dendriter på anodens yta, vilket kan få batteriet att fatta eld och misslyckas.”
Forskare har ägnat decennier åt att försöka ta itu med dendritproblemet.
"Elektrolyten har varit akilleshälen för litiummetallbatterier", säger medförfattaren Zhiao Yu, en doktorand i kemi. "I vår studie använder vi organisk kemi för att rationellt designa och skapa nya, stabila elektrolyter för dessa batterier."
För studien undersökte Yu och hans kollegor om de kunde ta itu med stabilitetsproblemen med en vanlig, kommersiellt tillgänglig flytande elektrolyt.
"Vi antog att tillsats av fluoratomer till elektrolytmolekylen skulle göra vätskan mer stabil," sa Yu. ”Fluor är ett flitigt använt grundämne i elektrolyter för litiumbatterier. Vi använde dess förmåga att attrahera elektroner för att skapa en ny molekyl som gör att litiummetallanoden fungerar väl i elektrolyten.”
Resultatet blev en ny syntetisk förening, förkortad FDMB, som lätt kan tillverkas i bulk.
"Elektrolytdesigner blir väldigt exotiska," sa Bao. ”En del har visat lovande men är väldigt dyra att producera. FDMB-molekylen som Zhiao kom fram till är lätt att göra i stora mängder och ganska billig.”
Stanford-teamet testade den nya elektrolyten i ett litiummetallbatteri.
Resultaten var dramatiska. Det experimentella batteriet behöll 90 procent av sin initiala laddning efter 420 cykler av laddning och urladdning. I laboratorier slutar typiska litiummetallbatterier att fungera efter cirka 30 cykler.
Forskarna mätte också hur effektivt litiumjoner överförs mellan anoden och katoden under laddning och urladdning, en egenskap som kallas "coulombic effektivitet."
"Om du laddar 1 000 litiumjoner, hur många får du tillbaka efter att du har laddat ur?" sa Cui. "Helst vill du ha 1 000 av 1 000 för en coulombisk effektivitet på 100 procent. För att vara kommersiellt gångbar behöver en battericell en coulombisk effektivitet på minst 99,9 procent. I vår studie fick vi 99,52 procent i halvcellerna och 99,98 procent i helcellerna; en otrolig prestation.”
För potentiell användning inom hemelektronik testade Stanford-teamet också FDMB-elektrolyten i anodfria litiummetallpåsceller – kommersiellt tillgängliga batterier med katoder som förser anoden med litium.
"Tanken är att endast använda litium på katodsidan för att minska vikten", säger medförfattaren Hansen Wang, en doktorand i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap. "Det anodfria batteriet körde 100 cykler innan dess kapacitet sjönk till 80 procent - inte lika bra som ett likvärdigt litiumjonbatteri, som kan gå i 500 till 1 000 cykler, men fortfarande en av de bäst presterande anodfria cellerna."
"Dessa resultat visar lovande för ett brett utbud av enheter," tillade Bao. "Lätta, anodfria batterier kommer att vara en attraktiv funktion för drönare och många andra hemelektronik."
Det amerikanska energidepartementet (DOE) finansierar ett stort forskningskonsortium som heter Battery500 för att göra litiummetallbatterier livskraftiga, vilket skulle göra det möjligt för biltillverkare att bygga lättare elfordon som kan köra mycket längre avstånd mellan laddningarna. Denna studie stöddes delvis av ett anslag från konsortiet, som inkluderar Stanford och SLAC.
Genom att förbättra anoder, elektrolyter och andra komponenter siktar Battery500 på att nästan tredubbla mängden el som ett litiummetallbatteri kan leverera, från cirka 180 wattimmar per kilogram när programmet startade 2016 till 500 wattimmar per kilogram. Ett högre energi-till-vikt-förhållande, eller "specifik energi", är nyckeln till att lösa den räckviddsoro som potentiella elbilsköpare ofta har.
"Det anodfria batteriet i vårt labb uppnådde cirka 325 wattimmar per kilogram specifik energi, ett respektabelt antal," sa Cui. "Vårt nästa steg kan vara att samarbeta med andra forskare inom Battery500 för att bygga celler som närmar sig konsortiets mål på 500 wattimmar per kilogram."
Förutom längre cykellivslängd och bättre stabilitet är FDMB-elektrolyten också mycket mindre brandfarlig än konventionella elektrolyter, vilket forskarna visade i den här videon.
"Vår studie ger i grunden en designprincip som människor kan tillämpa för att komma på bättre elektrolyter," tillade Bao. "Vi visade bara ett exempel, men det finns många andra möjligheter."
Andra Stanford-medförfattare inkluderar Jian Qin , biträdande professor i kemiteknik; postdoktorala forskare Xian Kong, Kecheng Wang, Wenxiao Huang, Snehashis Choudhury och Chibueze Amanchukwu; doktorander William Huang, Yuchi Tsao, David Mackanic, Yu Zheng och Samantha Hung; och studenterna Yuting Ma och Eder Lomeli. Xinchang Wang från Xiamen University är också medförfattare. Zhenan Bao och Yi Cui är seniorstipendiater på Stanfords Precourt Institute for Energy . Cui är också huvudutredare vid Stanford Institute for Materials &Energy Science , en joint SLAC/Stanford forskningsprogram.
Detta arbete stöddes också av Battery Materials Research Program vid DOE Office of Vehicular Technologies. Anläggningen som används på Stanford stöds av National Science Foundation.
"Brännbarhetstest på ny elektrolyt för litiummetallbatterier", Utvald bild med tillstånd av Stanford ENERGY-video
