Eine Lithium-Eisenoxid-Batterie ist erhältlich, um die Batterielebensdauer zu verlängern

Wolvertons Team arbeitete mit Forschern der Argonne National Laboratories zusammen, um eine wiederaufladbare Lithium-Eisenoxid-Batterie zu entwickeln, die mehr Lithiumionen zirkuliert als herkömmliche Lithium-Kobaltoxid-Batterien.

Das Ergebnis ist eine Batterie mit größerer Kapazität, mit der batteriebetriebene Elektroautos und Smartphones länger funktionieren.

Wolverton, Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der McCormick School of Engineering der Northwestern University, sagte: "Wir freuen uns sehr über die Berechnung der Batterie, aber wenn kein Experiment bestätigt wird, wird es viele Skeptiker geben, die an ihrer wissenschaftlichen Natur zweifeln. In der Tat ist seine Rolle sehr wichtig.

Die vom Energy Frontier Research Center-Programm des US-Energieministeriums unterstützte Studie wurde kürzlich in Nature Energy veröffentlicht. Die Phut-Studenten im Wolverton-Labor, ZhenpengYao und Argonnes Postdoktorand ChunZhan, waren die ersten Autoren des Papiers. Argonne leitete den experimentellen Teil der Studie, und Wolfton und Yao Ming waren für die rechnerische Entwicklung verantwortlich.

lithium-ionen-batterien transportieren Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode hin und her. Wenn der akku aufgeladen ist, bewegen sich Ionen zur Anode. Die Kathode wird aus einer Verbindung gebildet, die aus einem Übergangsmetall, Lithiumionen und Sauerstoff besteht. Das Übergangsmetall ist typischerweise Kobalt, das effektiv elektrische Energie speichert und abgibt, wenn es von der Anode zur Kathode und dann zurück gelangt. Die Kapazität der Kathode wird dann durch die Menge der Elektronen im Übergangsmetall begrenzt.

Lithium-Kobaltoxid-Batterien sind seit 20 Jahren im Handel erhältlich, aber Forscher haben lange nach größeren, billigeren Alternativen gesucht. Wolvertons Team verwendete zwei Strategien, um die gewöhnliche Lithium-Kobaltoxid-Batterie zu verbessern: Verwendung von Eisen anstelle von Kobalt, um Sauerstoff in den Reaktionsprozess zu zwingen.

Wenn Sauerstoff auch elektrische Energie speichert und abgibt, hat die Batterie eine größere Kapazität zum Speichern und verwendet dann immer mehr Lithium. Obwohl andere Forschungsteams diese Methode in der Vergangenheit ausprobiert haben, sind nur wenige erfolgreich.

" Das Problem war, dass die Verbindung instabil wird, wenn Sie versuchen, Sauerstoff in die Reaktion zu bringen", sagte Yao. "Sauerstoff wird aus der Batterie freigesetzt, wodurch die Reaktion irreversibel wird.

Wolverton und Yao fanden eine Formel, die die Arbeit reversibel machte. Sie ersetzten zuerst Eisen durch Eisen, was vorteilhaft ist, weil es eines der billigsten Elemente im Periodensystem ist. Durch Berechnungen entdeckten sie das richtige Gleichgewicht von Lithium-, Eisen- und Sauerstoffionen, so dass Eisen und Sauerstoff gleichzeitig die reversible Reaktion antreiben und das Entweichen von Sauerstoff verhindern.

Wolverton sagte: "Weil wir Elektronen aus Metallen und Sauerstoff gewinnen und das Metall, das wir verwenden, Eisen ist, haben unsere Batterien nicht nur eine interessante chemische Zusammensetzung, sondern ermöglichen auch die Herstellung billigerer Batterien."

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass eine voll aufgeladene Batterie nicht mit einem Lithiumion beginnt, sondern mit vier Lithiumionen. Die derzeitige Reaktion besteht darin, eines der Lithiumionen reversibel nutzen zu können, hauptsächlich um die Kapazität vorhandener Batterien zu erhöhen. Die Möglichkeit, die gesamte Reaktion mit Sauerstoff und Eisen zu steuern, ist jedoch in der Tat attraktiv.

" Jedes Metall hat vier Lithiumionen, die alles verändern", sagte Wolverton. „Dies bedeutet, dass Ihr Telefon um das 8-fache verlängert oder Ihr Auto um das 8-fache geöffnet werden kann. Wenn das Elektroauto in Bezug auf Kilometerleistung und Kosten mit benzinbetriebenen Autos konkurrieren kann, wird dies die Welt verändern. “

Wolverton hat beim Office of Innovation and Venture Capital der Northwestern University ein vorübergehendes Patent für Batterien angemeldet. Mit Blick auf die Zukunft planen Wolfton und sein Team, andere Verbindungen zu entdecken, um zu beweisen, dass diese Strategie funktioniert.

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