Litiumjonbatterier används ofta i elfordon och smartphones eftersom de är lätta, pålitliga och energieffektiva. De har dock långsamma laddningstider och klarar inte höga strömstötar. I nyare forskning har Cornell Engineering-teamet utvecklat ett litium EV-batteri som kan laddas helt på 5 minuter. Prototypen av ett sådant snabbladdningsbatteri.
Cornell Engineering-teamet utvecklade ett nytt litiumbatteri. Det laddas på mindre än 5 minuter , snabbare än något annat tillgängligt batteri. Det bibehåller också stabil prestanda vid laddning och urladdning under en längre period. Den senaste upptäckten kan lindra räckviddsoro hos förare. Deras oro över elbilars begränsade räckvidd och besväret med långa laddningstider skulle minska.
Forskarna upptäckte att indium, en mjuk metall som vanligtvis används för pekskärmar och solpaneler, har en exceptionellt hög potential som material för snabbladdning av batterier. Detta beror på dess inneboende snabba transporthastigheter i fast tillstånd och låga Damköhler-tal. Dessutom fungerar indium som ett utmärkt alternativ till bly i lågtemperaturlod.
Professor Lynden Archer , dekanus vid Cornell Engineering och projektledare, sa: ”Räckviddsoro är ett större hinder för elektrifiering inom transportsektorn än något annat hinder, som batteriernas kostnad och kapacitet, och vi har identifierat en väg att eliminera den med hjälp av rationella elektroddesigner.”
Professor Archer tillade vidare: ”Om man kan ladda ett elbilsbatteri på fem minuter, menar jag, herregud, man behöver inte ha ett batteri som är tillräckligt stort för en räckvidd på 300 mil. Man kan nöja sig med mindre, vilket skulle kunna minska kostnaden för elbilar och möjliggöra en bredare användning.”
Huvudförfattaren till studien, Shuo Jin , doktorand i kemi- och biomolekylärteknik, sa: ”Vårt mål var att skapa batterielektroddesigner som laddas och urladdas på sätt som överensstämmer med den dagliga rutinen. Rent praktiskt vill vi att våra elektroniska enheter ska laddas snabbt och fungera under längre perioder. För att uppnå detta har vi identifierat ett unikt indiumanodmaterial som effektivt kan paras ihop med olika katodmaterial för att skapa ett batteri som laddas snabbt och urladdas långsamt. ”
Processen
Forskarna använde en unik metod för sitt nya litiumbatteri och betonade kinetiken hos elektrokemiska reaktioner. De använde specifikt ett koncept från kemiteknik som kallas Damköhler-talet . Detta koncept kvantifierar i huvudsak hastigheten med vilken kemiska reaktioner sker i jämförelse med transporten av material till reaktionsplatsen.
Den senaste forskningen visar att indium har två avgörande egenskaper som batterianod. De är följande:
- Ett exceptionellt låg migrationsenergibarriär, som bestämmer hastigheten med vilken joner diffunderar i fast tillstånd
- A måttlig växlingsströmtäthet, vilket påverkar den hastighet med vilken joner reduceras i anoden.
Synergin mellan dessa egenskaper, snabb diffusion och långsam ytreaktionskinetik är absolut nödvändig för snabb laddning och långvarig lagring.
Se även : Konstruerade bakterier spelar en nyckelroll i mineralåtervinning från använda elbilsbatterier
Professor Archer sa: ”Den viktigaste innovationen är att vi har upptäckt en designprincip som gör att metalljoner vid en batterianod kan röra sig fritt, hitta rätt konfiguration och först då delta i laddningslagringsreaktionen. Slutresultatet är att elektroden i varje laddningscykel är i ett stabilt morfologiskt tillstånd. Det är just det som ger våra nya snabbladdande batterier möjligheten att laddas och urladdas upprepade gånger under tusentals cykler.”
Litiumbatteriet för elbilar, som kan laddas helt på 5 minuter, använder denna teknik i kombination med trådlös induktionsladdning på vägar. Detta skulle kunna minska batteriernas storlek och kostnad avsevärt . Det kommer ytterligare att göra eltransporter till ett mer genomförbart val för förare. Detta innebär dock inte att indiumanoder är perfekta eller praktiska.
"Även om detta resultat är spännande, eftersom det lär oss hur man laddar batterier snabbt, är indium tungt. Däri ligger en möjlighet för beräkningskemisk modellering, kanske med hjälp av generativa AI-verktyg, för att lära sig vilka andra lättviktsmaterialkemier som kan uppnå samma i sig låga Damköhler-tal. Finns det till exempel metalllegeringar där ute som vi aldrig har studerat, som har de önskade egenskaperna? Det är därifrån min tillfredsställelse kommer, att det finns en allmän princip som gör det möjligt för vem som helst att designa en bättre batterianod som uppnår snabbare laddningshastigheter än den senaste tekniken", tillade professor Archer.
Källa : Snabbladdande litiumbatteri strävar efter att eliminera "räckviddsångest"
