Um Lithium-Ionen-Batterien sicherer und leistungsfähiger zu machen, ist die richtige Formel erforderlich

Ein Forschungsteam an der Purdue University veröffentlichte eine Studie über die Beziehung zwischen der Aktivität und den inaktiven Elementen von lithium-ionen-batterien und darüber, wie die Mikro- und Nanostrukturen ihrer jeweiligen Komponenten die Leistung und Sicherheit der Batterie widerspiegeln.

Die Studie wurde kürzlich auf dem Cover des Magazins ACS Applied Materials & Interfaces veröffentlicht.

"Wiederaufladbare Batterien sind überall", sagte ParthaMukherjee, Associate Professor für Maschinenbau und Forschungsleiter. „Wir können jederzeit zwei oder drei tragbare elektronische Produkte bei uns tragen. Die Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Elementen der Batterie selbst ist jedoch noch unklar. Meine Forschung hofft, diese Lücke zu schließen. “

In Mukherjees Labor, dem Energy and Transportation Science Laboratory (ETSL), untersuchen Forscher verschiedene Formen des Energietransports und der Energiespeicherung, darunter Batterien und Brennstoffzellen. Sie verwenden Computermodelle, um neue Konfigurationen mit Bestandteilen vorzuschlagen und anschließend verschiedene Phänomene im Labor zu testen.

"Es ist wie ein Kuchen backen", sagte Dr. AashutoshMistry, ein Kandidat für den Maschinenbau. „Wie viel Teig solltest du verwenden? Wie viele Kirschen sollten Sie hineingeben, damit es gut schmeckt? Schauen wir uns auf die gleiche Weise die grundlegenden Proportionen oder Rezepte dieser Batterieelektroden an. Alles, was Sie mikroskopisch ändern, wirkt sich letztendlich auf die Gesamtleistung aus. ""

"Schauen wir uns zum Beispiel Elektroautos an", sagte Mukherjee. „Die Leute interessieren sich für drei Dinge. Leistung: Wie schnell kann ich fahren? Lebensdauer: Wie lange kann ich fahren, bevor ich auflade? Endlich: Sicherheitsprobleme. Wir haben gesehen, dass diese Batterien in der Öffentlichkeit auf erstaunliche Weise versagen, auf Smartphones und bei der Explosion in Elektroautos. Diese drei Aspekte: Leistung, Leben und Sicherheit sind sehr wichtig. Dies kann eine schwierige Balance sein und alles richtig machen. "

Manchmal arbeiten ihre Labore hart daran, absichtliche Fehler zu reproduzieren. In einem typischen Elektroauto ist die Batterie keine große Einheit, aber Tausende von separaten Batterien sind miteinander verbunden. Was passiert mit anderen Personen in der Nähe, wenn dies fehlschlägt? Für einen Test wurde ein Probenmodul von 24 Einheiten (ungefähr eine Ziegelgröße) absichtlich überladen. Eine Zelle explodiert und setzt alle Zellen in einer Kettenreaktion in Brand.

"Die Temperatur und der Druck in einer Batterie sind sehr hoch, sie schmelzen das Metallgehäuse und verursachen einen Brand", sagte Dr. Kandidat Daniel Robles, weil er eine verbrannte Plastiktüte in der Hand hielt. „In einem Elektroauto gibt es Tausende solcher Batterien, die sich alle unter Ihrem Sitz befinden! Deshalb ist es wichtig, die Grundlagen dieser Phänomene zu verstehen, damit wir dies verhindern können. “

Wiederaufladbare Batterien umfassen typischerweise eine positive Elektrode und eine negative Elektrode, die aus "aktivem Material" zum Speichern von Lithium bestehen. Zwischen den beiden Elektroden befindet sich eine Membran und während des gesamten Prozesses befindet sich ein flüssiger Elektrolyt zum Transport von Lithiumionen. Schließlich hilft die Kombination von elektrochemisch inaktiven Materialien wie leitfähigen Additiven und Bindemitteln (als "zweite Phase" bezeichnet), die physikalischen Komponenten in der porösen Verbundelektrode zu formen und die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern. In einer veröffentlichten Studie untersuchten Mukherjee und sein Team die Beziehung zwischen aktiven und sekundären Phasen auf der Mikro- und Nanoskala - Porosität, physikalische Form und ihre Wechselwirkungen. Das Ändern einer dieser Eigenschaften kann zu erheblichen Änderungen der Gesamtleistung der Batterie führen.

"Wir befinden uns noch im Anfangsstadium des Verständnisses dieser komplexen Wechselwirkungen", sagte Mukherjee. „Dies ist jedoch der Schlüssel zu unserer Forschung. Wir verbinden die Entwicklung im Mikro- und Nanomaßstab mit Batterieleistung, Lebensdauer und Sicherheit. “

Mit der Popularität von wiederaufladbaren Batterien hat die Forschung an Bedeutung gewonnen. „Von tragbarer Elektronik bis hin zu Fahrzeugen werden Batterien auch in großen Stromnetzen häufig eingesetzt. Dies ist eine sehr aufregende Zeit für die Energiespeicherforschung. “

Die Seite enthält den Inhalt der maschinellen Übersetzung.