Monthly Archives

juli 2018

lithium-oin-batterijen

Energieopslag van lithium-ion-batterijen verdrievoudigen

By | Energie | One Comment

Naarmate de vraag naar smartphones, elektrische voertuigen en hernieuwbare energie blijft stijgen. Zijn wetenschappers op zoek naar manieren om lithium-ion batterijen te verbeteren. Wetenschappers hebben een nieuw kathodemateriaal van ijzer fluoride samengesteld dat de capaciteitsgrenzen van traditionele lithium-ionenbatterijen overtreft. Het verhogen van de energiedichtheid van lithium-ion batterijen kan de ontwikkeling van geavanceerde technologieën met langdurige batterijen, evenals het wijd verspreid gebruik van wind-en zonne-energie te vergemakkelijken. Nu hebben onderzoekers aanzienlijke vooruitgang geboekt in de richting van het bereiken van dat doel.

lithium batterijen

Vervanging van de kathodemateriaal met zuurstof en kobalt, voorkomt lithium van het breken van chemische bindingen en behoudt de structuur van het materiaal.

 

Lithium-ion batterijen bestaan uit een anode en een kathode. Vergeleken met de grote capaciteit van de commerciële grafiet anodes gebruikt in lithium-ion batterijen, is de capaciteit van de kathoden veel beperkter. Kathodematerialen zijn altijd het knelpunt voor het verder verbeteren van de energiedichtheid van lithium-ion batterijen.

De FeF3

Wetenschappers hebben een nieuw kathodemateriaal gesynthetiseerd, een gemodificeerde en ontworpen vorm van ijzer trifluoride (FeF3), die is samengesteld uit kosteneffectieve en ecologisch goedaardige elementen-ijzer en fluor. De onderzoekers zijn geïnteresseerd in het gebruiken van chemische samenstellingen zoals FeF3 in lithium-ionenbatterijen omdat zij inherent hogere capaciteiten dan traditionele kathodematerialen aanbieden. Materialen die normaal worden gebruikt in lithium-ion batterijen zijn gebaseerd op tussenvoeging chemie. Dit type van chemische reactie is zeer efficiënt. Nochtans, brengt het slechts één enkel elektron over zodat de kathode capaciteit beperkt is. Sommige verbindingen zoals FeF3 kunnen veelvoudige elektronen overbrengen door een complexere reactiemechanisme, genoemd een omzettingsreactie.

Potentie van FeF3

Ondanks FeF3’s potentie om kathode capaciteit te verhogen, heeft de verbinding niet historisch goed in lithium-ionenbatterijen gewerkt. Toe te schrijven aan drie complicaties met zijn omzettingsreactie: slechte energie efficiency (hysteris), een langzaam reactietarief en bijwerkingen dat kan leiden tot een slechte levenscyclus. Om deze uitdagingen te overwinnen, voegden de wetenschappers kobalt en zuurstofatomen aan FeF3 nanorods door een proces toe dat chemische substitutie wordt genoemd. Dit gaf de wetenschappers de mogelijkheid om de reactie weg te manipuleren en maakt het meer “omkeerbaar”. Wanneer de Lithium ionen in FeF3 worden opgenomen, wordt het materiaal omgezet in ijzer en lithium fluoride. De reactie is echter niet volledig omkeerbaar. Na vervanging met kobalt en zuurstof, is het belangrijkste kader van het kathodemateriaal beter gehandhaafd en de reactie wordt meer omkeerbaar.

Meer onderzoek en testen

Eerst bij CFN, gebruikten de onderzoekers een krachtige straal van elektronen om FeF3 Nanorods bij een resolutie van 0,1 nanometers te bekijken, een techniek genoemd transmissie elektronenmicroscopie(TEM). Met de TEM-experiment konden de onderzoekers de exacte grootte van de Nano deeltjes in de kathode structuur bepalen en te analyseren hoe de structuur veranderd tussen de verschillende fasen van de laad-ontlaadproces. Ze zagen een snellere reactiesnelheid voor de vervangende Nanorods.

TEM is een krachtig hulpmiddel voor het karakteriseren van materialen op zeer kleine lengteschalen en het is ook in staat om het reactieproces te onderzoeken in real time. Echter, kunnen ze alleen maar een zeer beperkt gebied zien van het monster. Ze moesten vertrouwen op de synchrotron technieken bij NSLS-II om te begrijpen hoe de hele batterij functioneert.

Bij NSLS-II ’s x-ray poeder diffractie (XPD) regisseerde wetenschappers Ultra-Bright X-rays door het kathodemateriaal. Door te analyseren hoe het licht zich verspreid, konden de wetenschappers aanvullende informatie over de structuur van het materiaal “zien”.

Bij XPD, voerden de wetenschappers de pair distribution function (PDF) metingen uit, die lokale ijzer ordening over een groot volume kunnen ontdekken. De PDF-analyse op de ontlaadde kathoden bleek duidelijk dat de chemische substitutie elektrochemische omkeerbaarheid bevordert.
Het combineren van zeer geavanceerde beeldvormings-en microscopie technieken bij CFN en NSLS-II was een kritieke stap voor het beoordelen van de functionaliteit van het kathodemateriaal.

Toepassen op andere energieconversie materialen

De wetenschappers hebben ook een geavanceerde computationele benaderingen op basis van de dichtheid functionele theorie om de reactiemechanisme te ontcijferen op een atomaire schaal uitgevoerd. Deze benadering openbaarde dat de chemische substitutie de reactie op een hoogst omkeerbare staat verschoof door de deeltjesgrootte van ijzer te verminderen en de rocksalt fase te stabiliseren. Wetenschappers van UMD zeggen dat dit onderzoekstrategie kan worden toegepast op andere hoge Energieconversie materialen en toekomstige studies kunnen gebruik maken van de aanpak van andere batterijsystemen om die te verbeteren.


Deel hieronder je mening in de comments!