Chemie Einfrieren von Lithium-Batterien kann der Schlüssel zur Sicherheit, längere Lebensdauer sein

- Aug 04, 2017-

Der Schlüssel zur Freigabe besser wiederaufladbarer Lithium-Ionen-Batterien für tragbare Elektronik, Elektrofahrzeuge und Energiespeicher auf Netzebene liegt in dem Material, das zum Aufbau der Kathode, der Anode und des Elektrolyten der Batteriezelle verwendet wird .

Derzeit versorgt ein flüssiger Elektrolyt kommerzielle Lithium-Ionen-Batterien ; Aber genau das macht die Stromquelle brennbar und anfällig für Explosionen. Ein Team der Columbia University untersucht daher die Möglichkeit, einen festen Elektrolyten über Eis-Templatierung, auch Gefriertrocknung genannt, zu verwenden.

Yuan Yangs Team war an der Verwendung von Eis-Templaten interessiert, um vertikal ausgerichtete Strukturen von keramischen Festelektrolyten herzustellen.

In Experimenten kühlte das Team von Yuan Yang die wässrige Lösung mit Keramikpartikeln vom Boden ab und ließ dann Eis wachsen und die Keramikpartikel wegdrücken und konzentrieren. Sie brachten dann ein Vakuum auf, um das feste Eis in ein Gas zu überführen, wobei eine vertikal ausgerichtete Struktur zurückblieb. Schließlich kombinierten sie diese Keramikstruktur mit Polymer, um dem Elektrolyten eine mechanische Unterstützung und Flexibilität zu verleihen.

"Wir dachten, wenn wir die vertikal ausgerichtete Struktur des keramischen Elektrolyten mit dem Polymerelektrolyten kombinieren, könnten wir einen schnellen Highway für Lithiumionen bereitstellen und so die Leitfähigkeit verbessern", sagt Haowei Zhai, Yangs Ph.D. Student und Hauptautor der Zeitung. "Wir glauben, dass dies das erste Mal ist, dass jemand die Eis-Templat-Methode verwendet hat, um einen flexiblen festen Elektrolyten, der nicht entflammbar und ungiftig ist, in Lithiumbatterien herzustellen. Dies eröffnet einen neuen Ansatz, um die Ionenleitung für Akkus der nächsten Generation zu optimieren. "

Forscher in früheren Studien verwendeten entweder zufällig verteilte Keramikteilchen in Polymerelektrolyten oder faserartige Keramikelektrolyte, die nicht vertikal ausgerichtet waren. Vertikalität ist der Schlüssel zur neuesten Methode von Yang und Zhai, die zu Lithiumbatterien führen kann, die sicherer sind, eine längere Batterielebensdauer haben und biegbar sind und neue Möglichkeiten für flexible Smartphones und Tablets bieten. 1280px-Limetal-800x600.jpg

Als nächstes planen Yang und Zhai, die Eigenschaften des kombinierten Elektrolyten zu optimieren und den flexiblen festen Elektrolyten zusammen mit Batterieelektroden zusammenzubauen, um einen Prototyp einer vollständigen Lithium-Ionen-Batterie zu konstruieren.

An anderer Stelle wenden sich die Forscher an Daten, in der Hoffnung, die wiederaufladbaren Batterien zu verbessern, insbesondere für die Integration in Elektrofahrzeuge.

Das Toyota Research Institute hat MIT, Stanford und Purdue über einen Zeitraum von vier Jahren 35 Millionen US-Dollar zugesprochen, um ein neuartiges, datengetriebenes Design von Lithium-Ionen-Batterien zu entwickeln.

Mit brillanten Röntgenstrahlen und High-Tech-Mikroskopen visualisierte die Stanford-Studie die grundlegenden Bausteine ​​von Batterien - die Lade- / Entladereaktion in Echtzeit. Die Forscher entdeckten, dass der Ladevorgang (Delithiation) deutlich ungleichmäßiger ist als die Entladung (Lithiierung). Sie fanden auch heraus, dass ein schnelleres Aufladen die Gleichförmigkeit verbessert.

Basierend auf diesen Daten wird das Multi-Universitäts-Team mithilfe von Theorie, Multiskalenmodellierung und Simulationen sowie maschinellem Lernen ein skalierbares Modellierungsmodell für wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien entwickeln. Die vier Jahre währende Anstrengung versucht, die grundlegende Wissenschaft besser zu verstehen, die bestimmt, wie die interne Architektur einer Batterie die Energiespeicherung, die Wiederaufladungsgeschwindigkeit und Zuverlässigkeit beeinflusst, einschließlich, wie das Design der Elektroden einer Batteriezelle verbessert werden kann.