Транспортировка и коммуникация во всем мире все больше и больше полагаются на литий-ионные аккумуляторы, с сотовыми телефонами, повсеместными на шести континентах и электромобилях на темпе, чтобы ускориться от международного рынка в размере $1 миллиарда в 2009 к $14 миллиардам к 2016, по словам аналитиков Фроста и Салливана.Группа Аккумулирования энергии NREL работает с Министерством энергетики, автомобильными разработчиками батареи, и автопроизводители, чтобы увеличить работу и длительность современных литий-ионных аккумуляторов для уборщика, более безопасного будущего транспортировки, заявили менеджера Energy Storage Group Ахмада Песарана. «Подход нанотрубки представляет потрясающую возможность – улучшение работы перезаряжающихся литий-ионных аккумуляторов, в то время как заставляют их продлиться дольше», сказал Песаран. «Увеличение жизни и работы аккумуляторов снизит полные затраты электромобиля и сделает нас менее уверенными в иностранных источниках энергии».Ученые из NREL создали прозрачные нанотрубки и нанопруты, чтобы напасть на основные проблемы, врожденные от литий-ионных аккумуляторов: они могут стать слишком горячими, весить слишком много и менее, чем звездные при проведении электричества и быстро зарядке и освобождении.Новый вклад NREL в очень улучшенные батареи – высокоэффективные, основанные на углероде-нанотрубкой электроды без переплетов.
Технология быстро вызвала интерес от промышленности и лицензируется для NanoResearch, Inc. для производства объема.Нанотехнологии относятся к манипуляции вопроса в атомном или молекулярном масштабе.
Как маленький? Миллимикрон миллионный из метра; потребовалось бы 1,000 из нанотрубок в проекте NREL, выстроенном в линию друг рядом с другом, чтобы пересечь ширину человеческих волос.
Все же ученые из NREL в состоянии не только создать полезные объекты, настолько маленькие, но и вести их формирования в конкретные формы. Они объединили нанотрубки и нанопруты таким способом, которым они могут помочь зарядке аккумулятора, уменьшая опухоль и сокращение, которое приводит к электродам с сокращенными сроками службы.
«Думайте о литий-ионном аккумуляторе как о птичьем гнезде», сказал Ученый NREL Чанмеи Пан. «Подход NREL использует нанопруты, чтобы улучшить то, что продолжается внутри, гарантируя, что гнездо остается длительным и эластичным».«Мы изменяем архитектуру, изменяя химию несколько», не изменяя саму батарею, сказала она.Работа NREL была поддержана Технологическим Офисом Транспортного средства Министерства энергетики под Батареей для Advanced Transportation Technologies (СЛАНЕЦ) программа, которая сосредотачивается на сокращении стоимости и улучшении работы и длительности литий-ионных аккумуляторов та власть электромобили.Углеродные нанотрубки и связывают и проводят
Типичное использование литий-ионных аккумуляторов отдельные материалы для проведения электронов и закрепления активных материалов, но подхода NREL использует углеродные нанотрубки для обеих функций. «Это улучшает нашу массовую погрузку, которая приводит к упаковке большего количества энергии в то же самое пространство, так лучшая энергетическая продукция для батареи», сказал Пан. «Подход NREL также помогает с обратимостью – изменение химических реакций, которое позволяет батарее перезаряжаться с электрическим током во время операции. Если мы можем улучшить длительность и обратимость, мы определенно экономим деньги и уменьшаем стоимость».
Углеродные нанотрубки единственной стены (SWCNTs) дорогие, но ученые и инженеры, работающие в области, уверены, что, поскольку использование основанных на SWCNT электродов становится более широким, их цена упадет до пункта, где они имеют экономический смысл в батареях, сказал Пан.В литий-ионном аккумуляторе литиевые ионы двигаются вперед-назад в аноде графита через электролит; ионы введены между углеродными слоями графита, который является надежным, но излишне плотным. В то же время электроны текут вне батареи через электрический груз от катода до анода. Электролиты важны в аккумуляторах, потому что они закрывают схему в батареях, позволяя ионам перейти; иначе батарея не может продолжить проводить электричество от положительного до отрицательных полюсов и назад снова.
У высокоэнергетических материалов, таких как металлические окиси и кремниевые аноды, есть значительные изменения объема, когда литиевые ионы введены и извлечены из материала электрода. Они раздуваются и сжимаются, собираются в группу и трогают друг друга, сжимаясь в унисон, вызывая крах и последующие трещины, которые могут вредить работе, приводя к разрушению электрода и таким образом понизить целую жизнь.Определенные металлические окиси делают лучшую работу, чем графит подхождения к электродам.
Но в то время как они изменяют к лучшему энергетическое содержание и полностью изменяющие функции, они все еще способствуют большому расширению в объеме и разрушению внутренней структуры.Команда NREL обратилась к окиси железа, которая в изобилии, безопасна, недорога, и показывает большое обещание. Все же, чтобы быть эффективным, размер наночастиц окиси железа должен был быть просто правильным – и должен был сохраняться в сильной матрице, которая была и гибка и устойчива, чтобы иметь дело с изменениями большого объема, оптимально проводя электричество.NREL выявил уникальные свойства SWCNTs обратиться к проблемам тепла, веса, и освобождающийся от обязательств внезапно. «Мы используем углеродную нанотрубку в этой гибкой сети, чтобы сделать проводящую подобную веревке обертку», сказал Пан.
Так, когда есть сжатие, те обертки позволяют электронам достигать окиси железа и продвигаться проводящий неустанный путь. Используя наночастицы сокращает продолжительность распространения, увеличивая способность быстрой зарядки и освобождения. Используя богатый недорогой материал означает меньше потребности в таких дорогих металлах как кобальт, в настоящее время используемый в катодах литий-ионных аккумуляторов, понижая общую стоимость."
Строительство лучших анодов и катодовSWCNT с раствором окиси железа произвел плотность энергии трижды тот из графита, что означает высокие показатели, устраняя большую часть веса батареи, которая зависит от графита.
Чтобы добраться там, было важно, чтобы частицы окиси железа были распределены однородно в нанотрубках окружения.Запрет и коллега NREL Жуэнгчун Ву использовали гидротермальный синтез и вакуумную фильтрацию, чтобы построить литий-ионные аноды, которые не требуют типичных переплетов (сила прилипания, которая позволяет батарее выносить езду на велосипеде выброса обвинения), все же имеют высокую производительность.
Первый шаг должен был сделать нанопруты окиси железа как предшественников для того, чтобы сделать электроды. Запрет и ее коллеги обнаружили, что в 450°C, отжигая железные нанопруты гидроокиси с SWCNTs произведет окись железа.
И, SWCNTs внес всего 5% в вес. Мало того, что SWCNTs на самом деле облегчал формирование частиц окиси железа, но они гарантировали превосходный физический и электрический контакт между этими двумя материалами.
Для электродов катода они включили NMC – литиевую марганцевую окись кобальта никеля – в нанотрубках, заставив наночастицы стать очень проводящими. Получающееся наносоединение сохраняет 92% своей оригинальной способности сохранить и провести электрические обвинения даже после 500 циклов зарядки и перезарядки.Экспертные знания в синтезе Влажной Химии вели идеальные формыЭто не столь легко как просто помещение наноматериалов в батареи, сказал Пан. «Вам нужен специальный процесс, чтобы заставить его работать».
Пан и ее коллеги NREL Ву и Энн Диллон использовали вакуумный процесс фильтрации, чтобы объединить недорогую окись железа с углеродными нанотрубками.Пан принес ее опыт в синтезе влажной химии к проблеме влияния на формы наноматериалов, чтобы сделать их в форме прутов. «Мы знаем, как изменить условия синтеза направить дизайн или понять структуру и форму наноматериалов», сказал Пан.
Они выбрали форму прута, потому что они думали, что это будет объединяться хорошо с нанопроводами и искривлениями нанотрубок, обертывающих вокруг них, чтобы создать надежный электрод. Необычно длинные и очень гибкие берега наноматериалов крайне важны для превосходящих особенностей электродов.
Они свойственны глубоко частицам, и их пористость допускает идеальное распространение.Аккумулятор, который служит
Инновационные электроды, задуманные NREL, могут означать максимальную способность, работу и безопасность для литий-ионных аккумуляторов.Дэвид Адди Ной, который основал NanoResearch, Inc. с планом коммерциализировать доказанные инновации нанонауки, посетил NREL, видел процесс и решил лицензировать технологию.
Инновациями инноваций и производственного процесса химии наноматериала, которые приводят к binderless электродам, «является переломный момент, потому что они помогают решить основную проблему, которую промышленность литий-ионного аккумулятора не была в состоянии решить в течение многих десятилетий», сказал он.Улучшения литий-ионных аккумуляторов, предлагаемых подходом NREL также, могут иметь значение в портативной бытовой электронике, такой как ноутбуки, планшеты, сотовые телефоны, и портативные СМИ, а также стационарные устройства аккумулирования энергии, которые станут все более и более важными, поскольку больше возобновляемой энергии переменного поколения входит в сетку.«Мы не делаем новую батарею, но мы изменяемся, архитектура несколько при помощи SWCT обернула металлические окисные аноды», сказал Пан. «Настолько делающим, мы улучшаем массовую погрузку, энергетическую продукцию за вес и объем». Процесс гарантирует более быстрое обвинение, и это – то, что является самым важным для производителей и их клиентов.
Это означает меньше поездок в станцию перезарядки и батарею, которая продолжает идти и идти и идти.