Die Universität Cambridge entwickelt neue Lithium-Batterie-Materialien, die eine schnelle Ladung sicherer machen

Forscher der Universität Cambridge haben kürzlich eine Reihe von Materialien identifiziert, mit denen Batterien mit höherer Leistung hergestellt werden können: Sie haben herausgefunden, dass Lithiumionen die komplexe Mikrostruktur von Tantal-Wolfram-Oxid-Materialien weit über typische Elektrodenmaterialien hinweg durchdringen können. Das bedeutet, dass es schnellere Ladegeschwindigkeiten erreichen kann Kurz gesagt, diese Entdeckung könnte zum Schlüssel für den Aufbau der nächsten Generation von Lithium-Ionen-Batterien werden, und es wird erwartet, dass sie den Ladevorgang in Minuten (anstatt Stunden) beenden Gefährliche Überhitzung.

Studie Abbildung 1: Nb ₁₆W₅O₅₅Und Nb ₁₈W₁₆O₉₃Kristallstruktur / Partikelmorphologie

Lithium-Ionen-Batterien werden seit den 1990er Jahren kontinuierlich und weitverbreitet eingesetzt, ihre Energiedichte ist leider nur um 3-4% pro Jahr gestiegen - weit unter den Erwartungen der Elektrofahrzeuge und der Hersteller von Unterhaltungselektronik.

Noch wichtiger ist, dass diese Verbesserungen in der Regel aus der Optimierung des Verpackungsmaterials resultieren, nicht aus der Elektrode selbst. Diese Strategie kann kaum einen weiteren inhärenten Nachteil der Batterietechnologie ausgleichen - die Ladegeschwindigkeit ist langsam.

Um die Aufladungsrate zu erhöhen, ist es notwendig, die Flussrate geladener Lithiumionen von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode zu beschleunigen.Das haben Wissenschaftler versucht, indem sie spezielle Nano-Strukturen in den Elektroden geschaffen haben:

Dies ist so ausgelegt, dass die von Lithiumionen zurückgelegte Entfernung verringert wird, aber Ihre Partikel sind schwierig und teuer in der Anwendung und erzeugen auch unerwünschte chemische Reaktionen, die die Lebensdauer der Batterie verkürzen.

Studie Abbildung 2: Elektrochemische Eigenschaften von zwei Materialien

In den neuesten Erkenntnissen aus Cambridge verwendeten die Forscher verschiedene Ansätze:

Es wurde ein größeres Partikel mit einer starren, offenen Säulenstruktur gewählt, das Lithiumionen ungehindert in großen Mengen bewegen kann und dadurch den Durchsatz um mehrere Stufen erhöht.

Neue Elektrodenmaterialien können auch eine sicherere Alternative sein:

Die negative Elektrode besteht bei den meisten Lithium-Ionen-Batterien aus Graphit, bei der Hochgeschwindigkeitsladung entstehen Dendriten, insbesondere die Mikrostruktur von Lithiumfasern.

Dendriten können Kurzschlüsse oder sogar Brände in Batterien verursachen, die neuen Elektrodenmaterialien von Cambridge jedoch nicht.

Studie Abbildung 9: Erwartungen an ternäre Wolframeroxide in Bulk und Bronze und elektrochemischer Vergleich mit binären Ceroxiden.

Professor Clare Gray, ein leitender Forschungsautor, sagte:

In schnell ablaufenden Anwendungen ist die Sicherheit ein Ort, der mehr Aufmerksamkeit erfordert, und diese Art von potentiellem neuen Material ist auf jeden Fall sehenswert, da wir eine sicherere Alternative zu Graphit benötigen.

Darüber hinaus erfordern Nano-Faktoren die Herstellung von mehreren Schritten, was zu extrem niedrigen Ausbeuten und Skalierbarkeitsproblemen führt.

Im Gegensatz dazu ist Tantal-Wolframoxid einfacher herzustellen und erfordert keine zusätzlichen Chemikalien oder Lösungsmittel.Natürlich haben wir noch viel zu tun, bevor wir es in die Praxis umsetzen.