Ursprungligen publicerad på U.S. Department of Energy's Office of Science. Department of Energy National Labs, SLAC, Stanford Education News
Att lägga till polymerer och brandskydd till ett batteris strömavtagare gör det lättare, säkrare och cirka 20 % effektivare. Menlo Park, Kalifornien . — I ett helt nytt tillvägagångssätt för att göra litiumjonbatterier lättare, säkrare och mer effektiva, har forskare vid Stanford University och Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory omkonstruerat en av de tyngsta batterikomponenterna – ark av koppar eller aluminiumfolie som kallas nuvarande samlare – så de väger 80 % mindre och släcker omedelbart alla bränder som blossar upp.Om den antas, sa forskarna, kan denna teknik ta itu med två huvudmål för batteriforskning:utöka räckvidden för elfordon och minska risken för att bärbara datorer, mobiltelefoner och andra enheter brinner i lågor. Detta är särskilt viktigt när batterier laddas supersnabbt, vilket skapar fler av de typer av batteriskador som kan leda till bränder.
Forskargruppen beskrev sitt arbete i Nature Energy idag.
"Den nuvarande samlaren har alltid ansetts som dödvikt, och hittills har den inte framgångsrikt utnyttjats för att öka batteriprestanda", säger Yi Cui, professor vid SLAC och Stanford och utredare vid Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) ) som ledde forskningen.
"Men i vår studie ökade energitätheten hos litiumjonbatterier - hur mycket energi de kan lagra i en given vikt - med 16-26% genom att göra kollektorn 80 % lättare. Det är ett stort hopp jämfört med den genomsnittliga ökningen på 3 % som uppnåtts de senaste åren.”
Forskare vid Stanford och SLAC designade om strömledare – tunna metallfolier som fördelar ström till och från elektroder – för att göra litiumjonbatterier lättare, säkrare och effektivare. De ersatte helkopparledaren, mitten, med ett lager av lättviktspolymer belagd i ultratunn koppar (överst till höger) och inbäddat brandskyddsmedel i polymerlagret för att släcka lågor (nedre till höger). (Yusheng Ye/Stanford University)
Oavsett om de kommer i form av cylindrar eller påsar, har litiumjonbatterier två strömavtagare, en för varje elektrod. De fördelar ström som flyter in eller ut ur elektroden och står för 15 % till så mycket som 50 % av vikten hos vissa högeffekts- eller ultratunna batterier. Att raka batteriets vikt är önskvärt i sig, vilket möjliggör lättare enheter och minskar mängden vikt som elfordon måste släpa runt på; Genom att lagra mer energi per given vikt kan både enheter och elbilar gå längre mellan laddningarna.
Att minska batterivikten och antändbarheten kan också ha en stor inverkan på återvinningen genom att göra transporten av återvunna batterier billigare, sa Cui.
Forskare inom batteriindustrin har försökt minska vikten på strömavtagare genom att göra dem tunnare eller mer porösa, men dessa försök har haft oönskade biverkningar, som att göra batterier ömtåliga eller kemiskt instabila eller kräva mer elektrolyt, vilket ökar kostnaderna , sa Yusheng Ye, en postdoktor i Cuis labb som utförde experimenten med gästforskaren Lien-Yang Chou.
När det gäller säkerhetsfrågan, sa han, "Folk har också försökt att tillsätta brandskyddsmedel till batterielektrolyten, som är den brandfarliga delen, men du kan bara lägga till så mycket innan den blir trögflytande och inte längre leder joner bra."
En omdesignad strömavtagare för litiumjonbatterier gör batterierna lättare, mer energieffektiva och säkrare. Det skulle också kunna minska kostnaderna genom att ersätta koppar med billigare polymer och genom att minska kostnaderna för att transportera batterier för återvinning. (Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory)
Efter att ha brainstormat problemet designade Cui, Ye och doktorand Yayuan Liu experiment för att tillverka och testa strömavtagare baserade på en lätt polymer som kallas polyimid, som står emot eld och står emot de höga temperaturer som skapas av snabb batteriladdning. Ett brandskyddsmedel – trifenylfosfat, eller TPP – var inbäddat i polymeren, som sedan belades på båda ytorna med ett ultratunt lager av koppar. Kopparn skulle inte bara göra sitt vanliga jobb med att fördela ström, utan också skydda polymeren och dess brandskyddsmedel.
Dessa förändringar minskade vikten på strömavtagaren med 80 % jämfört med dagens versioner, sade Ye, vilket översätts till en energitäthetsökning på 16-26 % i olika typer av batterier, och den leder ström lika bra som vanliga kollektorer utan nedbrytning.
När de utsätts för öppen låga, fattade litiumjonbatterier tillverkade med dagens kommersiella strömavtagare (översta raden) eld och brann kraftigt tills all elektrolyt brann bort. Batterier med de nya flamskyddssamlarna (nedre raden) producerade svaga lågor som slocknade inom några sekunder, och blossade inte upp igen även när forskarna försökte tända dem igen. (Yusheng Ye/Stanford University)
När de exponerades för en öppen låga från en tändare, fattade påsebatterier gjorda med dagens kommersiella strömavtagare eld och brann kraftigt tills all elektrolyt brann bort, sa Ye. Men i batterier med de nya flamskyddade uppsamlarna kom elden aldrig riktigt igång, och producerade mycket svaga lågor som slocknade inom några sekunder och inte flammade upp igen även när forskarna försökte tända den igen.
En av de stora fördelarna med detta tillvägagångssätt, sa Cui, är att den nya uppsamlaren ska vara lätt att tillverka och även billigare, eftersom den ersätter en del av kopparn med en billig polymer. Så att skala upp det för kommersiell produktion, sa han, "bör vara mycket genomförbart." Forskarna har ansökt om patent genom Stanford, och Cui sa att de kommer att kontakta batteritillverkare för att utforska möjligheterna.
Detta arbete stöddes av DOE:s Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Vehicle Technologies Office under programmet eXtreme Fast Charge Cell Evaluation of Lithium-ion Batteries (XCEL).
Citat: Yusheng Ye et al., Nature Energy , 15 oktober 2020 (10.1038/s41560-020-00702-8)
SLAC är ett pulserande flerprogramslaboratorium som utforskar hur universum fungerar i den största, minsta och snabbaste skalan och uppfinner kraftfulla verktyg som används av forskare runt om i världen. Med forskning som spänner över partikelfysik, astrofysik och kosmologi, material, kemi, bio- och energivetenskap och vetenskaplig beräkning hjälper vi till att lösa verkliga problem och främja nationens intressen.
SLAC drivs av Stanford University för USA Department of Energy's Office of Science . The Office of Science är den enskilt största anhängaren av grundforskning inom fysikaliska vetenskaper i USA och arbetar för att ta itu med några av vår tids mest angelägna utmaningar.
Bilder med tillstånd av SLAC, Stanford Education News
