I ricercatori del National Renewable Energy Laboratory (NREL) del Dipartimento dell'Energia si stanno rivolgendo a tubi e barre estremamente piccoli per aumentare la potenza e la durata delle batterie agli ioni di litio, le fonti di energia per i telefoni cellulari, computer portatili, e veicoli elettrici. In caso di successo, le batterie dureranno più a lungo e avranno prestazioni migliori, portando a un vantaggio di costo per i veicoli elettrici.

I trasporti e le comunicazioni in tutto il mondo si affidano sempre più alle batterie agli ioni di litio, con cellulari onnipresenti in sei continenti, e veicoli elettrici sul passo per accelerare da un mercato mondiale da 1 miliardo di dollari nel 2009 a 14 miliardi di dollari entro il 2016, secondo gli analisti Frost e Sullivan.

Il gruppo Energy Storage di NREL sta lavorando con il dipartimento dell'energia, sviluppatori di batterie per autoveicoli, e le case automobilistiche per migliorare le prestazioni e la durata delle batterie agli ioni di litio avanzate per un più pulito, futuro di trasporto più sicuro, ha affermato Ahmad Pesaran, responsabile del gruppo di stoccaggio dell'energia. "L'approccio dei nanotubi rappresenta un'entusiasmante opportunità:migliorare le prestazioni delle batterie ricaricabili agli ioni di litio e farle durare più a lungo, Pesaran ha detto. "Aumentare la durata e le prestazioni delle batterie ricaricabili ridurrà i costi complessivi dei veicoli elettrici e ci renderà meno dipendenti da fonti di energia estere".

Gli scienziati del NREL hanno creato nanotubi e nanotubi cristallini per affrontare le principali sfide insite nelle batterie agli ioni di litio:possono diventare troppo calde, pesare troppo, e sono meno che stellari nel condurre elettricità e caricarsi e scaricarsi rapidamente.

Il contributo più recente di NREL verso batterie molto migliorate è ad alte prestazioni, senza legante, elettrodi a base di nanotubi di carbonio. La tecnologia ha rapidamente attirato l'interesse dell'industria ed è stata concessa in licenza a NanoResearch, Inc., per la produzione in serie.

La nanotecnologia si riferisce alla manipolazione della materia su scala atomica o molecolare. Quanto piccolo? Un nanometro è un miliardesimo di metro; ci vorrebbe 1, 000 dei nanotubi nel progetto di NREL allineati uno accanto all'altro per attraversare la larghezza di un capello umano.

Ancora, gli scienziati del NREL sono in grado non solo di creare oggetti utili che piccoli, ma guidano le loro formazioni in forme particolari. Hanno combinato nanotubi e nanobarre in modo tale da poter aiutare a caricare la batteria riducendo il gonfiore e il restringimento che porta ad elettrodi con una durata ridotta.

"Pensa a una batteria agli ioni di litio come a un nido d'uccello, " Lo scienziato NREL Chunmei Ban ha detto. "L'approccio NREL utilizza nanobarre per migliorare ciò che sta accadendo all'interno, garantendo al tempo stesso che il nido rimanga durevole e resistente".

"Stiamo cambiando l'architettura, cambiando un po' la chimica, " senza cambiare la batteria stessa, lei disse.

Il lavoro di NREL è stato supportato dall'Ufficio per la tecnologia dei veicoli del Dipartimento dell'energia nell'ambito del programma Battery for Advanced Transportation Technologies (BATT), che si concentra sulla riduzione dei costi e sul miglioramento delle prestazioni e della durata delle batterie agli ioni di litio che alimentano i veicoli elettrici.

I nanotubi di carbonio si legano e conducono

Le tipiche batterie agli ioni di litio utilizzano materiali separati per condurre elettroni e legare materiali attivi, ma l'approccio di NREL utilizza i nanotubi di carbonio per entrambe le funzioni. "Ciò migliora il nostro carico di massa, che si traduce nell'impacchettare più energia nello stesso spazio, quindi una migliore produzione di energia per la batteria, " Ban ha detto. "L'approccio NREL aiuta anche con la reversibilità, l'inversione delle reazioni chimiche che consente alla batteria di essere ricaricata con corrente elettrica durante il funzionamento. Se possiamo migliorare la durata e la reversibilità, risparmiamo sicuramente denaro e riduciamo i costi."

I nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) sono costosi, ma gli scienziati e gli ingegneri che lavorano nel campo sono fiduciosi che man mano che l'uso di elettrodi basati su SWCNT diventa più ampio, il loro prezzo scenderà a un punto in cui avranno senso economico nelle batterie, Divieto ha detto.

In una batteria agli ioni di litio, gli ioni di litio si muovono avanti e indietro nell'anodo di grafite attraverso un elettrolita; gli ioni vengono iniettati tra gli strati di carbonio della grafite, che è durevole ma inutilmente denso. Allo stesso tempo, gli elettroni fluiscono all'esterno della batteria attraverso un carico elettrico dal catodo all'anodo. Gli elettroliti sono fondamentali nelle batterie ricaricabili perché chiudono il circuito all'interno delle batterie permettendo il trasferimento degli ioni; altrimenti, la batteria non può continuare a condurre elettricità dal polo positivo a quello negativo e viceversa.

Materiali ad alta energia, come ossidi metallici e anodi di silicio, hanno enormi cambiamenti di volume quando gli ioni di litio vengono iniettati ed estratti dal materiale dell'elettrodo. Si gonfiano e si restringono, si riuniscono in un grappolo e si toccano, restringendosi all'unisono, provocando crolli e conseguenti fessurazioni che possono pregiudicare le prestazioni, portando alla distruzione dell'elettrodo e quindi a una durata inferiore.

Alcuni ossidi metallici fanno un lavoro migliore della grafite nell'unirsi agli elettrodi. Ma mentre migliorano il contenuto energetico e le funzioni di inversione, contribuiscono ancora alla grande espansione di volume e alla distruzione della struttura interna.

Il team NREL si è rivolto all'ossido di ferro, che è abbondante, sicuro, poco costoso, e mostra grandi promesse. Ancora, essere efficace, la dimensione delle nanoparticelle di ossido di ferro doveva essere giusta e doveva essere mantenuta in una matrice forte che fosse sia flessibile che resiliente per far fronte a grandi variazioni di volume mentre conduceva in modo ottimale l'elettricità.

NREL ha sfruttato le proprietà uniche degli SWCNT per affrontare le sfide del calore, il peso, e scaricando tutto in una volta. "Usiamo il nanotubo di carbonio in questa rete flessibile per realizzare un involucro conduttivo simile a una corda, " Ban ha detto. Quindi, quando c'è un restringimento, quegli involucri consentono agli elettroni di raggiungere l'ossido di ferro e continuare senza sosta sul percorso conduttivo. L'uso di nanoparticelle riduce la lunghezza di diffusione, migliorare la capacità di carica e scarica rapida. L'uso di materiale abbondante e poco costoso significa meno bisogno di metalli costosi come il cobalto, attualmente utilizzato nei catodi delle batterie agli ioni di litio, abbassando i costi complessivi".

Costruire anodi e catodi migliori

Il SWCNT con soluzione di ossido di ferro ha prodotto una densità di potenza tripla rispetto a quella della grafite, il che significa prestazioni elevate eliminando gran parte del peso di una batteria che dipende dalla grafite. Per arrivarci, era essenziale che le particelle di ossido di ferro fossero distribuite uniformemente all'interno dei nanotubi circondanti.

Ban e il collega di NREL Zhuangchun Wu hanno utilizzato la sintesi idrotermale e la filtrazione sotto vuoto per costruire anodi agli ioni di litio che non richiedono i tipici leganti (la forza di adesione che consente alla batteria di resistere al ciclo di carica-scarica) ma hanno un'elevata capacità. Il primo passo è stato quello di realizzare nanotubi di ossido di ferro come precursori per la realizzazione di elettrodi. Ban e i suoi colleghi hanno scoperto che a 450 °C, la ricottura dei nanotubi di idrossido di ferro con SWCNT produrrebbe ossido di ferro. E, gli SWCNT hanno contribuito solo per il 5% al ​​peso. Non solo gli SWCNT hanno effettivamente facilitato la formazione delle particelle di ossido di ferro, ma assicuravano un ottimo contatto fisico ed elettrico tra i due materiali.

Per elettrodi catodici, hanno incorporato NMC - ossido di litio nichel manganese cobalto - nei nanotubi, facendo sì che le nanoparticelle diventino molto conduttive. Il nanocomposito risultante conserva il 92% della sua capacità originale di immagazzinare e condurre cariche elettriche anche dopo 500 cicli di carica e ricarica.

L'esperienza nella sintesi della chimica umida ha guidato le forme ideali

Non è facile come mettere semplicemente dei nanomateriali nelle batterie, Divieto ha detto. "Hai bisogno di un processo speciale per farlo funzionare." Ban e i suoi colleghi del NREL Wu e Anne Dillon hanno utilizzato un processo di filtrazione sotto vuoto per combinare l'ossido di ferro economico con i nanotubi di carbonio.

Ban ha portato la sua esperienza nella sintesi della chimica umida alla sfida di influenzare le forme dei nanomateriali per renderli sotto forma di bastoncini. "Sappiamo come modificare le condizioni di sintesi per dirigere il design o realizzare la struttura e la forma dei nanomateriali, " ha detto Ban.

Hanno scelto una forma a bastoncino perché pensavano che si sarebbe integrato bene con i nanofili e le curvature dei nanotubi, avvolgendoli attorno per creare un elettrodo robusto. I fili insolitamente lunghi e molto flessibili dei nanomateriali sono cruciali per le caratteristiche superiori degli elettrodi. Si attaccano intimamente alle particelle, e la loro porosità consente una diffusione ideale.

Una batteria ricaricabile che dura

Gli innovativi elettrodi ideati da NREL possono significare capacità superiori, prestazione, e sicurezza per le batterie agli ioni di litio.

David Addie Noye, che ha fondato NanoResearch, Inc., con un piano per commercializzare innovazioni comprovate delle nanoscienze, visitato NREL, visto il processo, e ha deciso di concedere in licenza la tecnologia. L'innovazione della chimica dei nanomateriali e l'innovazione del processo di produzione che si traduce in elettrodi senza legante "è un punto di svolta perché aiuta a risolvere un problema fondamentale che l'industria delle batterie agli ioni di litio non è stata in grado di risolvere per decenni, " Egli ha detto.

I miglioramenti nelle batterie agli ioni di litio offerti dall'approccio di NREL possono anche fare la differenza nell'elettronica di consumo portatile, come computer portatili, compresse, telefono cellulare, e supporti portatili, così come i dispositivi stazionari di accumulo di energia che diventeranno sempre più importanti man mano che più energia rinnovabile a generazione variabile entrerà nella rete.

"Non stiamo facendo una nuova batteria, ma stiamo cambiando in qualche modo l'architettura utilizzando anodi di ossido di metallo avvolto in SWCT, " Ban ha detto. "Così facendo, miglioriamo il carico di massa, produzione di energia per peso, e volume." Il processo garantisce una ricarica più rapida, e questo è ciò che è più essenziale per i produttori ei loro clienti. Ciò significa meno viaggi alla stazione di ricarica, e una batteria che continua ad andare e ad andare e ad andare.