För att utveckla bättre batterier för elektriska fordon har forskare vid Brookhaven National Laboratory, en del av USA:s energidepartement, använt en elektrolytadditiv för att förbättra funktionaliteten hos högenergi litium-metallbatterier. Genom att tillsätta en förening kallad cesiumnitrat till elektrolyten som separerar batteriets anod och katod förbättrades laddningshastigheten av litium-metallbatterier avsevärt samtidigt som de behöll en lång cykelhållbarhet.
Forskningsteamets senaste forskning, nyligen publicerad i Nature Communications, fokuserar på mellanfasen – ett skyddande skikt som bildas på batteriets anod och katod. Detta skikt, som förhindrar elektroddeterioration, är avgörande för att skapa litium-metallbatterier som kan laddas och tömmas lika många gånger som litiumjonbatterier.
”Vi ville förbättra laddningshastigheten för litium-metallbatterier för att matcha det senaste hantverket,” förklarade Muhammad Mominur Rahman, forskningsassistent i Electrochemical Energy Storage-gruppen vid Brookhavens kemiavdelning och första författaren till den nya publikationen. ”Men vi ville också förlänga batteriets cykelhållbarhet genom en mer skyddande mellanfas.”
Utöver det ändrade Rahmans nya elektrolytadditiv batteriets kemi på ett oväntat sätt. ”Rahmans fynd utmanar konventionella uppfattningar om effektiva komponenter för mellanfasen,” sade Enyuan Hu, en kemist vid Brookhaven och ledande forskare i Electrochemical Energy Storage-gruppen. ”Vi är entusiastiska över hur dessa resultat kommer att bidra till USA:s energidepartements stora satsning på litium-metallbatterier.”
Steg mot ett ambitiöst mål
Hus team arbetar bland andra batteriexperter som en del av Battery500 Consortium, ett samarbete mellan flera nationella laboratorier och universitet. Under ledning av USA:s energidepartements Pacific Northwest National Laboratory syftar konsortiet till att skapa batterier med en energitäthet på 500 wattimmar per kilogram – mer än dubbelt så hög energitäthet som dagens bästa batterier.
Denna energitäthet kan inte uppnås med litiumjonbatterier som driver de flesta av dagens batteridrivna enheter, inklusive telefoner, TV-fjärrkontroller och till och med elektriska fordon. Därför var forskarna tvungna att vända sig till litium-metallbatterier för att nå sina mål. Dessa batterier har en litiummetallanod istället för den grafitanod som finns i litiumjonbatterier.
”Litium-metallbatterier är attraktiva eftersom de kan leverera dubbelt så hög energitäthet som ett batteri med grafitanod,” förklarade Rahman. ”Men det finns många utmaningar att övervinna.”
Brookhavens senaste forskning tar upp en av dessa utmaningar – att hitta en balans mellan laddningshastighet och cykelhållbarhet. Den elektrolyt som vanligtvis används för att möjliggöra snabb batteriladdning kan reagera med litiummetallanoden. Om dessa kemiska reaktioner inte kontrolleras bryts elektrolyten ned och minskar batteriets cykelhållbarhet. För att förhindra detta beslutade kemisterna vid Brookhaven att designa en mellanfas.
Tidigare forskning har antytt att stabilisering av litiummetallanoden kan uppnås genom att tillsätta cesium. Men för att öka laddningshastigheten samtidigt som battericykelns liv behålls, behövde både anoden och katoden stabiliseras. Brookhavens forskare trodde att cesiumnitrat kunde fylla denna roll för litium-metallbatterier. Precis som de misstänkte ansamlades de positiva cesiumjonerna på den negativt laddade litiummetallanoden, medan de negativa nitratjonerna ansamlades på den positivt laddade katoden.
För att bättre förstå hur tillsatsen av cesiumnitrat påverkar elektrolytsammansättningen och batteriets prestanda genomfördes ytterligare studier.
FAQ-sektion baserad på nyckelämnen och information som presenteras i artikeln:
1. Vad är målet med att utveckla bättre batterier för elektriska fordon?
Målet är att skapa batterier med högre energitäthet som möjliggör snabb laddning och bibehåller en lång cykelhållbarhet.
2. Vilken elektrolytadditiv använde forskarna vid Brookhaven National Laboratory?
Forskarna använde cesiumnitrat som ett elektrolytadditiv.
3. Hur förbättrade tillsatsen av cesiumnitrat funktionaliteten hos litium-metallbatterier?
Tillsatsen av cesiumnitrat förbättrade laddningshastigheten av litium-metallbatterier avsevärt samtidigt som den bibehöll en lång cykelhållbarhet.
4. Vad är betydelsen av mellanfasen i litium-metallbatterier?
Mellanfasen, ett skyddande skikt som bildas på batteriets anod och katod, förhindrar elektroddeterioration. Det är avgörande för att skapa litium-metallbatterier som kan laddas och tömmas lika många gånger som litiumjonbatterier.
5. Vilka är målen för Battery500 Consortium?
Målet för Battery500 Consortium är att skapa batterier med en energitäthet på 500 wattimmar per kilogram, vilket skulle vara mer än dubbelt så hög energitäthet som för närvarande tillgängliga batterier.
6. Varför vände sig forskarna till litium-metallbatterier?
Litium-metallbatterier har en högre energitäthet än litiumjonbatterier, vilket gör dem attraktiva för användning i elektriska fordon. Det finns dock många utmaningar att övervinna med litium-metallbatterier.
7. Vad är utmaningen med laddningshastighet och cykelhållbarhet i litium-metallbatterier?
Den elektrolyt som vanligtvis används för att möjliggöra snabb batteriladdning kan orsaka försämring av litiummetallanoden. Forskarna vid Brookhaven National Laboratory beslutade att designa en mellanfas som stabiliserar både anoden och katoden för att öka laddningshastigheten samtidigt som battericykelns liv bibehålls.
8. Hur påverkar tillsatsen av cesiumnitrat elektrolytsammansättningen och batteriets prestanda?
Ytterligare studier genomfördes för att förstå hur tillsatsen av cesiumnitrat påverkar elektrolytsammansättningen och batteriets prestanda.
Definitioner av nyckeltermer och facktermer som används i artikeln:
– Elektrolyt: En substans som leder elektrisk ström i batterier, det är en komponent som möjliggör flödet av joner mellan elektroderna.
– Energitäthet: Mängden energi som lagras per enhetsmassa.
– Mellanfas: Ett skyddande skikt som bildas på batteriets anod och katod och förhindrar elektroddeterioration.
– Brookhaven: Brookhaven National Laboratory inom USA:s energidepartement.
– Litium-metallbatterier: Batterier där anoden är tillverkad av litiummetall istället för grafit, som i litiumjonbatterier.
– Litiumjonbatterier: Batterier med en grafitanod och en katod av en litiummetallförening.
Föreslagna relaterade länkar till huvuddomänen:
Brookhaven National Laboratory
The source of the article is from the blog macnifico.pt