Ingenieurs van de Cornell University hebben een nieuwe lithiumbatterij ontwikkeld die in vijf minuten wordt opgeladen, sneller dan welke vergelijkbare batterij dan ook op de markt, terwijl de prestaties stabiel blijven tijdens lange laad- en ontlaadcycli. Deze doorbraak zou de ‘angst voor het bereik’ kunnen verlichten van bestuurders die zich zorgen maken dat elektrische voertuigen geen lange afstanden kunnen afleggen zonder tijd nodig te hebben om op te laden.
"Rangeangst is een grotere barrière voor de elektrificatie van transport dan andere barrières, zoals de kosten en prestaties van batterijen", zegt Lynden Archer, een ingenieursprofessor en decaan van de Cornell University's School of Engineering die toezicht houdt op het project. "Als je de batterij van een elektrisch voertuig in vijf minuten kunt opladen, heb je niet langer een batterij met een bereik van 500 kilometer nodig. Je kunt een kleinere batterij kiezen, wat de kosten van elektrische voertuigen kan verlagen en een bredere acceptatie mogelijk maakt."
Het artikel van het team werd onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Joule. De eerste auteur van het artikel is Jin Shuo, een promovendus met als hoofdvak chemische en biomoleculaire technologie.
Lithium-ionbatterijen zijn een van de meest gebruikte aandrijfeenheden in elektrische voertuigen en smartphones. De batterijen zijn lichtgewicht, betrouwbaar en relatief energiezuinig. Het duurt echter uren om ze op te laden en ze zijn niet in staat om grote stroompieken op te vangen.
Onderzoekers hebben ontdekt dat indium een bijzonder veelbelovend materiaal is voor snelladende batterijen. Indium is een zacht metaal dat voornamelijk wordt gebruikt bij de vervaardiging van indiumtinoxidecoatings voor aanraakschermen en zonnepanelen.
Nieuw onderzoek toont aan dat indium twee belangrijke kenmerken heeft als batterijanode: een extreem lage migratie-energiebarrière, die de diffusiesnelheid van ionen in de vaste toestand bepaalt, en een gematigde uitwisselingsstroomdichtheid, die verband houdt met de reductiesnelheid van ionen in de anode. De combinatie van deze twee eigenschappen, snelle diffusie en langzame oppervlaktereactiekinetiek, is cruciaal voor snel opladen en langdurige opslag.
"De belangrijkste innovatie is dat we een ontwerpprincipe hebben ontdekt waarmee de metaalionen op de batterijanode vrij kunnen bewegen en de juiste configuratie kunnen vinden voordat ze deelnemen aan de ladingsopslagreactie", aldus Archer. "Het eindresultaat is dat de elektroden zich tijdens elke oplaadcyclus in een stabiele morfologische toestand bevinden. Dit is de reden waarom onze nieuwe snelladende batterijen duizenden cycli keer op keer kunnen opladen en ontladen."
Deze technologie, gecombineerd met draadloos inductief opladen onderweg, zal de omvang en de kosten van batterijen verminderen, waardoor elektrisch vervoer een meer haalbare optie wordt voor bestuurders.
Dit betekent echter niet dat indiumanodes perfect of zelfs maar praktisch zijn. "Hoewel dit resultaat opwindend is omdat het ons vertelt hoe we snelladende batterijen kunnen krijgen, is indium zwaar", zei Archer. "Dit biedt een mogelijkheid voor computationele chemiemodellering, misschien met behulp van generatieve kunstmatige intelligentie-instrumenten, om te begrijpen welke andere lichtgewicht materialen dezelfde chemie hebben." Wat een laag Damklergetal. Zijn er bijvoorbeeld metaallegeringen die we nog nooit hebben onderzocht en die de vereiste eigenschappen hebben? Dit is waar ik me op mijn gemak voel dat er een algemeen principe aan het werk is dat iedereen in staat stelt betere batterijanodes te ontwerpen die snellere oplaadsnelheden bereiken dan de state-of-the-art."
Samengestelde bron: ScitechDaily