Mötesplatsen för dig inom energibranschen, jun, 18 2018
Senaste Nytt

Mjukare jonavsättning ger bättre elbilsbatterier

Schema för litumavsättningsmekanism med grafenoxidmodifierade prover. A-F) Adsorption av Li-joner till den litiophila GOn-beläggningen och kontrollerad leverans av Li-joner på metallytan, vilket leder till en mer likformig Li-avsättning. Bild: Kredit: University of Texas i Austin, 
Schema för litumavsättningsmekanism med grafenoxidmodifierade prover. A-F) Adsorption av Li-joner till den litiophila GOn-beläggningen och kontrollerad leverans av Li-joner på metallytan, vilket leder till en mer likformig Li-avsättning. Bild: Kredit: University of Texas i Austin, 
Publicerad av
Markku Björkman - 02 apr 2018

Elektriska fordon, vindkraftverk eller smarta nät kräver batterier med mycket större energikapacitet än vad som för närvarande står till tillverkarnas förfogande.

Förhoppningarna står framför allt till litium-metall-batteriet. Dendrit eller så kallade skarpa nålar, som är gjorda av klumpar av litiumatomer, kan dock leda till att batterierna värms upp, förlorar effektivitet och leder ibland till kortslutning. Med hjälp av superdatorer har ett team forskare vid

University of Texas i Austin, USA, emellertid simulerat beteendet hos grafenoxid nanoskikt, som kan begränsa bildandet av dendriter.

Samtidigt som förnybar energi växer som en kraftkälla runt om i världen, lider industrin fortfarande brist på en nyckelkomponent: ett storskaligt, stabilt, effektivt och prisvärt batteri.

Litiumjonbatterier har visat sig vara framgångsrika för konsumentelektronik, men elbilar, vindkraftverk eller smarta nät krävs batterier med mycket större energikapacitet. En viktig resurs är litiummetallbatteriet, som skiljer sig från litiumjonteknik, eftersom den innehåller litiummetallelektroder.

Efter att ha upptäckts år 1912, trodde man att litium-metall- batterierna skulle kunna lagra stora mängder energi till låga kostnader, men de lider av en dödlig brist: dendriter - skarpa nålar av klumpar av litiumatomer som kan leda till eldsvådor.

Hoppet om att tekniken kan förbättras har dock bevarat intresset hos forskare och företag som arbetar kontinuerligt på att övervinna dessa problem.

- Litium-metallbatterierna kan i princip betecknas som drömbatterier eftersom de ger en extremt hög energidensitet, säger Reza Shahbazian-Yassar, docent i maskinteknik och industriell teknik vid University of Illinois i Chicago (UIC).

- Vi har dock inte kunnat bygga kommersiellt bärbara litiummetallbatterier med organiska vätskeelektrolyter på grund av heterogen litiummetallplätering som leder till dendriter under förlängd batteriladdning, förklarar Shahbasian-Yassar.

Plätering (av engelska Plate, plåt) är överdrag av ädel eller rostfri metall på annan metall. Pläterad plåt kallas pläter.

Plätering har använts i många hundra år, men är också viktig inom modern teknologi. Plätering används också för att dekorera objekt, som korrosionsskydd, för att öka lödbarhet, som förhårdning, för att öka slitageresistens, för att reducera friktion, för att öka vidhäftning, för att förändra konduktivitet, som strålningsskydd och för andra ändamål.

Nyligen har forskargrupper, inklusive Shahbazian-Yassars team vid UIC och Perla Balbuenas studenter vid Texas A & M University, kommit närmare en lösning, delvis genom att tillämpa superdatorns styrka så att det blev lättare för teamet att förstå kärnkemi och fysik i arbetet vid dendritbildning och att kunna konstruera nya material som kan mildra dendrittillväxten.

- Tanken var att utveckla ett beläggningsmaterial som kan skydda litiummetallen och göra jonavsättningen mycket mjukare, säger Balbuena, professor i kemiteknik vid Texas A & M och medförfattare av den gemensamma studien.

Undersökarna förlitade sig på Stampede och Lonestar superdatorer på Texas Advanced Computing Center (TACC) – som är bland de mest kraftfulla i världen.

I studien beskriver forskarna ett grafenoxid nanoskikt som kan besprutas på en glasfiberavskiljare som sedan sätts in i batteriet. Materialet tillåter litiumjoner att passera genom det, men saktar ner och styr det sätt hur joner kombineras med elektronerna från ytan för att bli neutrala atomer. Istället för att bilda nålar bildar de deponerade atomerna jämna, plana ytor i nanoskiktets botten.

Forskarna använde datormodeller och simuleringar i takt med fysiska experiment och mikroskopisk bildbehandling för att avslöja hur och varför materialet effektivt kontrollerar litiumavsättning. De visade sig att litiumjonerna bildar en tunn film på ytan av grafenoxiden och diffunderar sedan genom defektsställen - huvudsakligen luckor i materialets lager - innan de sätter sig under bottenskiktet i grafenoxiden. Materialet fungerar som pinnar i ett pachinko-spel, som saktar och styrer metallbollarna när de faller.

- Vårt bidrag var att genomföra molekylära och dynamiska simuleringar där vi följer elektronens och atomernas banor i tid och observerar vad som händer på atomistiska nivåer, förklarar Balbuena.

​​​​​​​​​​​​​​- Vi var intresserade av att kunna belysa hur litiumjonerna diffunderades genom systemet och blev atomer när deponeringen slutar i litiumplätering.

De grafenoxiddopade batterierna visar en förbättrad livslängd och uppvisar stabilitet upp till 160 cykler, medan ett icke-modifierat batteri snabbt förlorar sin effektivitet efter 120 cykler. Oxiden kan enligt forskarna appliceras enkelt och billigt med en spraybeläggningspistol.

Schema för litumavsättningsmekanism i fallet med grafenoxidmodifierade prover. A-F) Adsorption av Li-joner till den litiophila GOn-beläggningen och kontrollerad leverans av Li-joner på metallytan, vilket leder till en mer likformig Li-avsättning.

Källa: Science Daily

Annons

Annons

Annons