Nanobollbatterier
Nanoball-batterier är en experimentell typ av batteri med antingen katod eller anod gjord av bollar i nanostorlek som kan vara sammansatta av olika material som kol och litiumjärnfosfat. Batterier som använder nanoteknik är mer kapabla än vanliga batterier på grund av den kraftigt förbättrade ytan som möjliggör högre elektrisk prestanda, såsom snabb laddning och urladdning. [ citat behövs ]
2009 kunde forskare från MIT ladda ett enkelt nanobollbatteri av litiumjärnfosfat på 10 sekunder med denna teknik. I teorin skulle detta möjliggöra snabb laddning av små elektroniska enheter medan större batterier fortfarande skulle begränsas av elnätet .
Kol nanobollar
Konstruktion
Innan kolnanobollarna kan tillverkas måste en kolstav bildas. Kolstaven framställs i närvaro av acetylen med kokspulver (typ av bränslekälla med få föroreningar och hög kolhalt) och formas med hjälp av ljusbågsurladdningsteknik. Bågarladdningstekniken använder två högrena grafitelektroder som en anod och en katod som förångas genom passagen av en likström (likström). [ självpublicerad källa? ] Efter ljusbågsurladdning under en tid byggs en kolstav upp vid katoden. Kolstaven placeras sedan i en likströmsbågarladdningsreaktor. Kolstaven fungerar som anod medan en grafitstav med hög renhet fungerar som katod. En ström justerad till 70-90 ampere leddes genom de två stavarna i ett acetylenmedium vid ett tryck av 0,05 till 0,06 MPa (megapascal). Kolnanokulor bildades på kolstaven under bågavdunstningsprocessen. Kolnanokulorna undersöktes sedan med användning av ett FE-SEM (Field emission scanning electron microscope) och ett STEM ( scanning transmission elektronmikroskop ) som var försett med energidispergerande röntgenstrålar opererade vid 200 kV (kilovolt), röntgendiffraktion och Raman Spectroscopy. De flesta av kolnanokulorna som bildades var sintrade (fast massa av material som bildades av värme och/eller tryck). Spårmängder av nanobollar som existerade som individer snarare än en grupp upptäcktes också, liksom några bomullsliknande nanomaterial.
Resultat
Tester gjorda av Anhui University of Technology har visat att kolnanokulorna inuti en cellelektrod har en hög reversibel kapacitet och en kapacitetsretention på nästan 74 %. Det gör att batteriet kan laddas ur väldigt snabbt och att batteriet har nästan tre fjärdedelar av sin totala energi tillgänglig under rätt förhållanden. Tester gjorda av Institute of Materials and Technology, Dalian Maritime University har också visat att kolnanobollar kan användas för att ytterligare öka energiproduktionen från andra material som kisel. Att ändra molekylstrukturen hos nanokulor av kisel-kol kan också resultera i högre laddnings- och urladdningskapacitet, längre cykelstabilitet (mängd tid innan batteriet behöver bytas ut) och en bra prestanda.
Litiumjärnfosfat nanobollar
Konstruktion av nanokulor av litiumjärnfosfat
Liksom kol är litium också en bra energiledare. Den används också redan i kommersiella litiumjonbatterier. Litium är en bra energiledare eftersom det tillåter joner att överföras snabbare än andra grundämnen och kan också hålla kvar den energin längre. Forskning har visat att beläggning av en fosfatpartikel med ett lager av LiFePO 4 (litiumjärnfosfat) möjliggör en ännu snabbare jonöverföringshastighet. Litiumjärnfosfat framställdes genom reaktion i fast tillstånd med användning av Li2CO3 ( litiumkarbonat ) , FeC2O4 ( järn ( II)oxalat ) och NH4H2PO4 ( ammoniumdivätefosfat ) . Föreningarna placerades sedan i aceton och kulmaldes (malning av material i en speciell cylindrisk anordning) innan de upphettades vid 350 °C i 10 timmar och fick sedan svalna till rumstemperatur. Blandningen pelleterades sedan under 10 000 pund tryck innan de värms upp igen vid 600 °C i 10 timmar under argon. Varje skapad nanoboll mätte cirka 50 nm (nanometer) i diameter. Under normala omständigheter kan elektrokemiska system (t.ex. batterier) endast uppnå höga effektnivåer med superkondensatorer. Superkondensatorer uppnår en hög effekthastighet genom att lagra energi genom ytadsorptionsreaktioner av laddade ämnen på en elektrod. Detta resulterar dock i låg energitäthet. Istället för att bara lagra laddning på ytan av ett material kan litiumjärnfosfat uppnå en hög effekthastighet och hög energitäthet genom att lagra laddning i huvuddelen av sig själv (det inre av kolnanokulorna). Detta är möjligt eftersom litiumjärnfosfat har hög litiumbulkrörlighet. Att skapa en snabb jonledande ytfas genom kontrollerad off-stökiometri (kontrollera mol-till-molförhållandet för reaktanterna och produkterna i den molekylära ekvationen) möjliggjorde en ultrasnabb urladdningshastighet.
Resultat
Urladdningshastighetstester utfördes på elektroder med 30 % aktivt material, 65 % kol och 5 % bindemedel. Litiumjärnfosfatnanokulorna monterades i en argonfylld handsklåda och testades med en Maccor 2200 (typ av batteritestsystem). Maccor 2000 var inställd på galvanostatiskt läge (mäter elektrokemisk prestanda) och använde litiummetall som anod och en icke-vattenhaltig elektrolyt och Celgard 2600 eller 2500 som separator. Den slutliga urladdningshastigheten var tillräckligt snabb för att ladda ett batteri på cirka 10–20 sekunder, cirka 100 gånger snabbare än ett normalt batteri.
Kommersiell användning
Eftersom detta är en experimentell procedur som görs i en labbmiljö, har det inte funnits några kommersiella produkter som har implementerat denna typ av teknik ännu. Tesla Motors har funderat på att implementera nanobollbatterier i sina fordon, men mängden energi som behövs och kabeln som behövs för att överföra så mycket energi skulle göra det mycket ineffektivt. Just nu är nanobollbatterier fortfarande i experimentstadiet. Förutom att användas i bilar och telefoner kan nanobollbatterier också användas för hjälp i tredje världens länder och katastrofdrabbade områden eftersom deras ringa storlek och höga urladdningshastigheter skulle göra det möjligt för energi att spridas snabbt och effektivt. [ citat behövs ]
Framtida
Nanobollbatterier visar mycket potential men förbättringar måste göras innan de blir ett genomförbart alternativ för att ersätta nuvarande batterier. Framtida forskning skulle inkludera att försöka integrera nanobollarna i katoden på en litiumcell eller slå samman nanobollar med andra material som kisel i batterier. Forskning gjord vid School of Material Science and Engineering vid East China University of Science and Technology har visat att beläggning av kiselnanokulor med en grafen/kolbeläggning hindrar kiselnanobollen från att försämras för snabbt och förbättra batteriets övergripande elektromekaniska prestanda. För kommersiell användning i bilar och andra elektriska fordon skulle nanobollbatteriet behöva kunna ladda fordonet med mindre energi. Även om batteriet kan laddas ur väldigt snabbt så krävs det för mycket energi för att gå in i batteriet. En annan fråga som behöver åtgärdas är att även om batteriet kan laddas ur väldigt snabbt så har det svårt att hålla på så mycket energi väldigt länge. Att öka gränsen för hur mycket energi batteriet kan hålla skulle göra batteriet mycket mer effektivt. Tekniken kan också möjliggöra mindre batterier eftersom katodmaterialet bryts ned i en långsammare takt än i nuvarande produktionsbatterier. [ citat behövs ]