Nanoball-Batterien - Nanoball batteries
Nanoball-Batterien sind ein experimenteller Batterietyp, bei dem entweder die Kathode oder die Anode aus Kugeln mit Nanogröße besteht, die aus verschiedenen Materialien wie Kohlenstoff und Lithiumeisenphosphat bestehen können. Batterien, die Nanotechnologie verwenden, sind aufgrund der erheblich verbesserten Oberfläche, die eine höhere elektrische Leistung ermöglicht, wie z. B. schnelles Laden und Entladen, leistungsfähiger als normale Batterien.
Im Jahr 2009 konnten Forscher vom MIT mit dieser Technologie eine einfache Lithium-Eisenphosphat-Nanoball-Batterie in 10 Sekunden aufladen. Theoretisch würde dies ein schnelles Laden kleiner elektronischer Geräte ermöglichen, während größere Batterien immer noch durch Netzstrom begrenzt wären .
Kohlenstoffnanobälle
Konstruktion
Bevor die Kohlenstoffnanobälle hergestellt werden können, muss ein Kohlenstoffstab gebildet werden. Der Kohlenstoffstab wird in Gegenwart von Acetylen mit Kokspulver (Art der Brennstoffquelle mit wenigen Verunreinigungen und hohem Kohlenstoffgehalt) hergestellt und unter Verwendung einer Lichtbogenentladungstechnik hergestellt. Bei der Lichtbogenentladungstechnik werden zwei hochreine Graphitelektroden als Anode und Kathode verwendet, die durch den Durchgang eines Gleichstroms (Gleichstrom) verdampft werden. Nach einer Lichtbogenentladung für eine gewisse Zeit wird an der Kathode ein Kohlenstoffstab aufgebaut. Der Kohlenstoffstab wird dann in einen Gleichstrom-Lichtbogenentladungsreaktor gegeben. Der Kohlenstoffstab fungiert als Anode, während ein hochreiner Graphitstab als Kathode fungiert. Ein auf 70 bis 90 Ampere eingestellter Strom wurde in einem Acetylenmedium mit einem Druck von 0,05 bis 0,06 MPa (Megapascal) durch die beiden Stäbe geleitet. Während des Lichtbogenverdampfungsprozesses bildeten sich auf dem Kohlenstoffstab Kohlenstoffnanobälle. Die Kohlenstoffnanobälle wurden dann unter Verwendung eines FE-SEM ( Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop ) und eines STEM ( Raster-Transmissionselektronenmikroskop ) untersucht, das mit energiedispersiven Röntgenstrahlen ausgestattet war, die bei 200 kV (Kilovolt) Röntgenbeugung betrieben wurden und Raman-Spektroskopie. Die meisten gebildeten Kohlenstoffnanobälle wurden gesintert (feste Materialmasse, die durch Wärme und / oder Druck gebildet wurde). Spurenmengen von Nanobällen, die als Individuen und nicht als Gruppe existierten, wurden ebenso nachgewiesen wie einige baumwollähnliche Nanomaterialien.
Ergebnisse
Tests der Anhui University of Technology haben gezeigt, dass die Kohlenstoffnanobälle in einer Zellelektrode eine hohe reversible Kapazität und eine Kapazitätsretentionsrate von fast 74% aufweisen. Dies bedeutet, dass sich der Akku sehr schnell entladen kann und dass unter den richtigen Bedingungen fast drei Viertel der Gesamtenergie des Akkus zur Verfügung stehen. Tests des Instituts für Materialien und Technologie der Dalian Maritime University haben auch gezeigt, dass Kohlenstoffnanobälle verwendet werden können, um die Energieabgabe anderer Materialien wie Silizium weiter zu steigern. Das Ändern der Molekülstruktur von Silizium-Kohlenstoff-Nanobällen kann auch zu höheren Lade- und Entladekapazitäten, einer längeren Zyklenstabilität (Zeitspanne vor dem Ersetzen der Batterie) und einer guten Geschwindigkeitsleistung führen.
Lithiumeisenphosphat-Nanobälle
Konstruktion von Lithiumeisenphosphat-Nanobällen
Wie Kohlenstoff ist auch Lithium ein guter Energieleiter. Es wird auch bereits in kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien verwendet. Lithium ist ein guter Energieleiter, da es Ionen schneller als andere Elemente übertragen lässt und diese Energie auch länger halten kann. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Beschichtung eines Phosphatpartikels mit einer Schicht aus LiFePO 4 (Lithiumeisenphosphat) eine noch schnellere Ionentransferrate ermöglicht. Lithiumeisenphosphat wurde durch Festkörperreaktion unter Verwendung von Li 2 CO 3 (Lithiumcarbonat), FeC 2 O 4 (Eisen (II) oxalat) und NH 4 H 2 PO 4 (Ammoniumdihydrogenphosphat) hergestellt. Die Verbindungen wurden dann in Aceton gegeben und kugelgemahlen (Mahlmaterialien zusammen in einer speziellen zylindrischen Vorrichtung), bevor sie 10 Stunden auf 350ºC erhitzt und dann auf Raumtemperatur abkühlen gelassen wurden. Die Mischung wurde dann unter 10.000 Pfund Druck pelletisiert bevor sie erneut 10 Stunden unter Argon auf 600 ° C erhitzt werden. Jeder erzeugte Nanoball hatte einen Durchmesser von etwa 50 nm (Nanometer). Unter normalen Umständen können elektrochemische Systeme (z. B. Batterien) nur mit Superkondensatoren hohe Leistungsraten erzielen. Superkondensatoren erreichen eine hohe Leistungsrate, indem sie Energie durch Oberflächenadsorptionsreaktionen geladener Spezies auf einer Elektrode speichern. Dies führt jedoch zu einer geringen Energiedichte. Anstatt nur Ladung auf der Oberfläche eines Materials zu speichern, kann Lithiumeisenphosphat eine hohe Leistungsrate und hohe Energiedichte erzielen, indem Ladung in der Masse von sich selbst (dem Inneren der Kohlenstoffnanobälle) gespeichert wird. Dies ist möglich, weil Lithiumeisenphosphat eine hohe Lithium-Bulk-Mobilität aufweist. Die Erzeugung einer schnellen ionenleitenden Oberflächenphase durch kontrollierte Off-Stöchiometrie (Kontrolle des Mol-zu-Mol-Verhältnisses der Reaktanten und Produkte in der Molekülgleichung) ermöglichte eine ultraschnelle Entladungsrate.
Ergebnisse
Entladungsratentests wurden an Elektroden mit 30% aktivem Material, 65% Kohlenstoff und 5% Bindemittel durchgeführt. Die Lithiumeisenphosphat-Nanobälle wurden in einer mit Argon gefüllten Handschuhbox zusammengebaut und unter Verwendung eines Maccor 2200 (Typ eines Batterietestsystems) getestet. Der Maccor 2000 wurde in den galvanostatischen Modus versetzt (misst die elektrochemische Leistung) und verwendete Lithiummetall als Anode und einen nichtwässrigen Elektrolyten sowie Celgard 2600 oder 2500 als Separator. Die endgültige Entladerate war schnell genug, um einen Akku in etwa 10 bis 20 Sekunden aufzuladen, etwa 100-mal schneller als ein normaler Akku.
Kommerzielle Verwendung
Da dies ein experimentelles Verfahren ist, das in einer Laborumgebung durchgeführt wird, gibt es noch keine kommerziellen Produkte, die diese Art von Technologie implementiert haben. Tesla Motors hat darüber nachgedacht, Nanoball-Batterien in seine Fahrzeuge einzubauen, aber die benötigte Energiemenge und das Kabel, das für die Übertragung dieser Energie benötigt wird, würden es äußerst ineffizient machen. Derzeit befinden sich Nanoball-Batterien noch im Versuchsstadium. Nanoball-Batterien werden nicht nur in Autos und Telefonen verwendet, sondern können auch in Ländern der Dritten Welt und in von Katastrophen betroffenen Gebieten eingesetzt werden, da sie aufgrund ihrer geringen Größe und hohen Entladungsraten eine schnelle und effiziente Energieverteilung ermöglichen.
Zukunft
Nanoball-Batterien bieten viel Potenzial, aber es müssen Verbesserungen vorgenommen werden, bevor sie eine praktikable Option für den Ersatz aktueller Batterien darstellen. Zukünftige Forschung würde den Versuch beinhalten, die Nanobälle in die Kathode einer Lithiumzelle zu integrieren oder Nanobälle mit anderen Materialien wie Silizium in Batterien zu verschmelzen. Untersuchungen an der School of Material Science and Engineering der East China University of Science and Technology haben gezeigt, dass die Beschichtung von Silizium-Nanobällen mit einer Graphen / Kohlenstoff-Beschichtung verhindert, dass sich der Silizium-Nanoball zu schnell verschlechtert und die elektromechanische Gesamtleistung der Batterie verbessert. Für den gewerblichen Einsatz in Autos und anderen Elektrofahrzeugen müsste die Nanoballbatterie das Fahrzeug mit weniger Energie aufladen können. Obwohl sich die Batterie sehr schnell entladen kann, wird zu viel Energie benötigt, um in die Batterie zu gelangen. Ein weiteres Problem, das behoben werden muss, ist, dass der Akku zwar sehr schnell entladen werden kann, jedoch Schwierigkeiten hat, sehr lange an so viel Energie festzuhalten. Eine Erhöhung der Grenze, wie viel Energie die Batterie aufnehmen kann, würde die Batterie viel effizienter machen. Die Technologie kann auch kleinere Batterien zulassen, da sich das Kathodenmaterial langsamer verschlechtert als bei aktuellen Produktionsbatterien.