По мнению аналитиков Frost and Sullivan, транспорт и связь во всем мире все больше полагаются на литий-ионные аккумуляторы, сотовые телефоны используются повсеместно на шести континентах, а электромобили быстро вырастут с 1 миллиарда долларов на мировом рынке в 2009 году до 14 миллиардов долларов к 2016 году.Группа хранения энергии NREL работает с Министерством энергетики, разработчиками автомобильных аккумуляторов и производителями автомобилей над повышением производительности и долговечности передовых литий-ионных аккумуляторов для более чистой и безопасной транспортировки в будущем, сказал менеджер группы хранения энергии Ахмад Песаран. «Подход с использованием нанотрубок представляет собой захватывающую возможность — улучшить характеристики перезаряжаемых литий-ионных аккумуляторов при одновременном увеличении их срока службы», — сказал Пезаран. «Увеличение срока службы и производительности аккумуляторных батарей снизит общие затраты на электромобили и сделает нас менее зависимыми от зарубежных источников энергии».Ученые из NREL создали кристаллические нанотрубки и наностержни для решения основных проблем, присущих литий-ионным батареям: они могут слишком сильно нагреваться, весить слишком много и меньше звезд по проводимости электричества и быстрой зарядке и разрядке.
Последний вклад NREL в создание значительно улучшенных аккумуляторов — это высокоэффективные электроды на основе углеродных нанотрубок, не содержащие связующего. Технология быстро вызвала интерес со стороны промышленности, и компания NanoResearch, Inc. получила лицензию на массовое производство.Нанотехнология относится к манипуляциям с веществом в атомарном или молекулярном масштабе. Насколько маленький?
Нанометр — это одна миллиардная метра; Потребовалось бы 1000 нанотрубок в проекте NREL, выстроенных рядом друг с другом, чтобы пересечь ширину человеческого волоса.Тем не менее, ученые из NREL могут не только создавать полезные объекты такого размера, но и придавать им особые формы.
Они объединили нанотрубки и наностержни таким образом, что они могут способствовать зарядке аккумулятора, уменьшая при этом набухание и усадку, что приводит к сокращению срока службы электродов.«Думайте о литий-ионной батарее как о птичьем гнезде», — сказал ученый NREL Чунмей Бан. «Подход NREL использует наностержни для улучшения того, что происходит внутри, обеспечивая при этом долговечность и устойчивость гнезда».«Мы меняем архитектуру, немного меняем химию», не меняя саму батарею, — сказала она.
Работа NREL была поддержана Управлением автомобильных технологий Министерства энергетики в рамках программы «Аккумуляторы для передовых транспортных технологий» (BATT), которая направлена на снижение стоимости, повышение производительности и долговечности литий-ионных батарей, используемых в электромобилях.Углеродные нанотрубки связывают и проводят
В типичных литий-ионных батареях используются отдельные материалы для проведения электронов и связывания активных материалов, но подход NREL использует углеродные нанотрубки для обеих функций. «Это улучшает нашу массовую нагрузку, что приводит к размещению большего количества энергии в том же пространстве, а значит, к лучшему выходу энергии для батареи», — сказал Пан. «Подход NREL также способствует обратимости — обращению вспять химических реакций, что позволяет заряжать батарею электрическим током во время работы. Если мы сможем повысить долговечность и обратимость, мы определенно сэкономим деньги и снизим затраты».Одностенные углеродные нанотрубки (ОСУНТ) дороги, но ученые и инженеры, работающие в этой области, уверены, что по мере расширения использования электродов на основе ОСУНТ их цена упадет до такой степени, что они станут экономически целесообразными в батареях, сказал Пан Бан. .В литий-ионной батарее ионы лития движутся вперед и назад в графитовом аноде через электролит; ионы вводятся между углеродными слоями графита, который прочен, но излишне плотен. В то же время электроны текут за пределы батареи через электрическую нагрузку от катода к аноду.
Электролиты необходимы в аккумуляторных батареях, потому что они замыкают цепь внутри батарей, позволяя ионам переноситься; в противном случае аккумулятор не сможет проводить электричество от положительного полюса к отрицательному и обратно.Материалы с высокой энергией, такие как оксиды металлов и кремниевые аноды, сильно изменяются в объеме, когда ионы лития вводятся и извлекаются из материала электрода. Они набухают и сжимаются, собираются в кластер и касаются друг друга, сжимаясь в унисон, вызывая разрушение и последующие трещины, которые могут ухудшить характеристики, что приведет к разрушению электрода и, следовательно, к сокращению срока службы.Определенные оксиды металлов лучше взаимодействуют с электродами, чем графит.
Но, несмотря на то, что они улучшают энергосодержание и реверсивные функции, они по-прежнему способствуют большему увеличению объема и разрушению внутренней структуры.Команда NREL обратилась к оксиду железа, который является изобильным, безопасным, недорогим и многообещающим. Тем не менее, чтобы быть эффективными, размер наночастиц оксида железа должен быть подходящим — и их необходимо поддерживать в прочной матрице, которая была одновременно гибкой и упругой, чтобы справляться с большими изменениями объема при оптимальном проведении электричества.
NREL использовал уникальные свойства SWCNT для одновременного решения проблем тепла, веса и разряда. «Мы используем углеродные нанотрубки в этой гибкой сети, чтобы сделать проводящую веревку намоткой», — сказал Пан. Таким образом, при усадке эти обертки позволяют электронам достигать оксида железа и продолжать свой проводящий путь в неизменном виде.
Использование наночастиц сокращает длину диффузии, увеличивая возможность быстрой зарядки и разрядки. Использование большого количества недорогих материалов означает меньшую потребность в таких дорогих металлах, как кобальт, которые в настоящее время используются в катодах литий-ионных батарей, что снижает общую стоимость ».Создание лучших анодов и катодовSWCNT с раствором оксида железа дает удельную мощность в три раза больше, чем у графита, что означает высокую производительность при одновременном снижении веса батареи, которая зависит от графита.
Для этого было важно, чтобы частицы оксида железа были равномерно распределены внутри окружающих нанотрубок.Пан и коллега из NREL Чжуанчунь Ву использовали гидротермальный синтез и вакуумную фильтрацию для создания литий-ионных анодов, для которых не требуются типичные связующие (прочность сцепления, позволяющая батарее выдерживать циклический заряд-разряд), но обладающих высокой емкостью. Первым шагом было создание наностержней оксида железа в качестве прекурсоров для изготовления электродов. Бан и ее коллеги обнаружили, что при 450 ° C отжиг наностержней гидроксида железа с ОСУНТ приводит к образованию оксида железа.
При этом SWCNT составляли всего 5% от веса. ОСУНТ не только действительно способствовали образованию частиц оксида железа, но и обеспечивали отличный физический и электрический контакт между двумя материалами.Что касается катодных электродов, они внедрили NMC — оксид лития, никеля, марганца, кобальта — в нанотрубки, в результате чего наночастицы стали очень проводящими.
Полученный нанокомпозит сохраняет 92% своей первоначальной способности накапливать и проводить электрические заряды даже после 500 циклов зарядки и подзарядки.Опыт в синтезе влажной химии привел к созданию идеальных форм
По словам Бана, это не так просто, как просто поместить наноматериалы в батареи. «Чтобы заставить его работать, нужен особый процесс». Бан и ее коллеги из NREL Ву и Энн Диллон использовали процесс вакуумной фильтрации для объединения недорогого оксида железа с углеродными нанотрубками.
Бан привнесла свой опыт в области синтеза в мокрой химии для решения проблемы влияния на форму наноматериалов, чтобы сделать их в виде стержней. «Мы знаем, как изменить условия синтеза, чтобы управлять дизайном или реализовать структуру и форму наноматериалов», — сказал Пан.Они выбрали форму стержня, потому что думали, что она будет хорошо интегрироваться с нанопроволокой и кривизной нанотрубок, оборачиваясь вокруг них для создания прочного электрода. Необычно длинные и очень гибкие пряди наноматериалов имеют решающее значение для превосходных характеристик электродов.
Они плотно прилегают к частицам, а их пористость обеспечивает идеальную диффузию.Аккумулятор, который длится долгоИнновационные электроды, разработанные NREL, могут означать превосходную емкость, производительность и безопасность для литий-ионных батарей.
Дэвид Адди Ной, основавший NanoResearch, Inc., с планом коммерциализации проверенных нанонаучных инноваций, посетил NREL, увидел процесс и решил лицензировать технологию. Инновации в области химии наноматериалов и инновации в производственных процессах, которые привели к созданию электродов без связующего, «меняют правила игры, поскольку они помогают решить фундаментальную проблему, которую промышленность литий-ионных аккумуляторов не могла решить на протяжении десятилетий», — сказал он.Улучшения в литий-ионных аккумуляторах, предлагаемые подходом NREL, также могут повлиять на портативную бытовую электронику, такую как ноутбуки, планшеты, сотовые телефоны и портативные носители, а также стационарные устройства хранения энергии, которые будут становиться все более важными по мере того, как все больше возобновляемая энергия переменной генерации поступает в сеть.«Мы не производим новую батарею, но мы несколько изменяем архитектуру, используя аноды из оксида металла в оболочке SWCT», — сказал Пан. «Поступая таким образом, мы улучшаем массовую загрузку, выход энергии на единицу веса и объем».
Этот процесс обеспечивает более быструю зарядку, а это наиболее важно для производителей и их клиентов. Это означает меньшее количество поездок на станцию подзарядки и аккумулятор, который продолжает работать, работать и работать.