Lithium-ionbatterijen worden veel gebruikt in elektrische voertuigen en smartphones omdat ze licht, betrouwbaar en energiezuinig zijn. Ze hebben echter een langzame laadtijd en kunnen geen hoge stroompieken aan. In recent onderzoek ontwikkelde het Cornell Engineering-team een lithium-EV-batterij die in 5 minuten volledig kan worden opgeladen. Het prototype van zo'n snellaadbatterij.
Een team van Cornell Engineering heeft een nieuwe lithiumbatterij ontwikkeld. Deze laadt in minder dan 5 minuten op , sneller dan alle andere beschikbare batterijen. Bovendien behoudt de batterij stabiele prestaties, zowel tijdens langdurig laden als ontladen. Deze recente ontdekking zou de angst voor een te kleine actieradius bij bestuurders kunnen wegnemen. Hun zorgen over de beperkte actieradius van elektrische voertuigen en het ongemak van lange laadtijden zouden daardoor verminderen.
De onderzoekers ontdekten dat indium, een zacht metaal dat veel wordt gebruikt voor touchscreen-displays en zonnepanelen, een uitzonderlijk hoog potentieel heeft als materiaal voor snelladende batterijen. Dit komt door de inherente snelle vastestoftransportsnelheden en lage Damköhler-getallen. Bovendien dient indium als een geweldig alternatief voor lood in soldeer op lage temperatuur.
Professor Lynden Archer , decaan van Cornell Engineering en projectleider, zei: "Actieradiusangst is een grotere belemmering voor elektrificatie in het transport dan alle andere belemmeringen, zoals de kosten en capaciteit van batterijen, en we hebben een manier gevonden om die angst weg te nemen door middel van rationele elektrodeontwerpen."
Professor Archer voegde hieraan toe: "Als je een EV-accu in vijf minuten kunt opladen, dan heb je echt geen accu nodig die groot genoeg is voor een actieradius van 300 mijl. Je kunt genoegen nemen met minder, wat de kosten van elektrische auto's zou kunnen verlagen en een bredere acceptatie mogelijk zou maken."
Hoofdauteur van de studie, Shuo Jin , een promovendus in de chemische en biomoleculaire technologie, zei: "Ons doel was om batterij-elektroden te ontwerpen die opladen en ontladen op een manier die aansluit bij de dagelijkse routine. In de praktijk willen we dat onze elektronische apparaten snel opladen en langdurig functioneren. Om dit te bereiken, hebben we een uniek indium-anodemateriaal gevonden dat effectief kan worden gecombineerd met verschillende kathodematerialen om een batterij te creëren die snel oplaadt en langzaam ontlaadt ."
Het proces
De onderzoekers kozen voor een unieke aanpak bij hun nieuwe lithiumbatterij, waarbij ze de nadruk legden op de kinetiek van elektrochemische reacties. Ze maakten specifiek gebruik van een concept uit de chemische technologie, bekend als het Damköhler-getal . Dit concept kwantificeert in wezen de snelheid waarmee chemische reacties plaatsvinden in vergelijking met het transport van materialen naar de reactieplaats.
Het laatste onderzoek laat zien dat indium twee cruciale eigenschappen bezit als batterijanode. Deze zijn als volgt:
- Een uitzonderlijk lage migratie-energiebarrière, die de snelheid bepaalt waarmee ionen in de vaste toestand diffunderen
- A matige uitwisselingsstroomdichtheid, wat van invloed is op de snelheid waarmee ionen in de anode worden gereduceerd.
De synergie van deze eigenschappen, snelle diffusie en langzame oppervlaktereactiekinetiek, is essentieel voor snel opladen en langdurige opslag.
Professor Archer zei: "De belangrijkste innovatie is dat we een ontwerpprincipe hebben ontdekt waardoor metaalionen aan de anode van een batterij vrij kunnen bewegen, de juiste configuratie kunnen vinden en pas daarna kunnen deelnemen aan de ladingopslagreactie. Het eindresultaat is dat de elektrode tijdens elke laadcyclus in een stabiele morfologische toestand verkeert. Dit is precies wat onze nieuwe snellaadbatterijen in staat stelt om duizenden keren te laden en te ontladen."
De lithium-elektrische accu die in 5 minuten volledig kan worden opgeladen, maakt gebruik van deze technologie in combinatie met draadloos inductief laden langs de weg. Dit zou de omvang en de kosten van accu's aanzienlijk kunnen verlagen . Het zal elektrisch vervoer bovendien een meer haalbare optie maken voor automobilisten. Dit wil echter niet zeggen dat indium-anodes perfect of praktisch zijn.
“Hoewel dit resultaat spannend is, omdat het ons leert hoe we snellaadbare batterijen kunnen ontwikkelen, is indium zwaar. Daarin schuilt een kans voor computationele chemische modellering, wellicht met behulp van generatieve AI-tools, om te leren welke andere lichtgewicht materialen dezelfde intrinsiek lage Damköhler-waarden zouden kunnen bereiken. Zijn er bijvoorbeeld metaallegeringen die we nog nooit hebben onderzocht, maar die de gewenste eigenschappen bezitten? Daar haal ik mijn voldoening uit: dat er een algemeen principe bestaat waarmee iedereen een betere batterijanode kan ontwerpen die sneller laadt dan de huidige technologie,” voegde professor Archer eraan toe.
Bron : Snellaadbare lithiumbatterij wil 'actieradiusangst' wegnemen
