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Erstellen von Lithium-Ionen-Batterien für extreme Umgebungen

04/16/2014

 

Lithium-Ionen-Batterien sind beliebte Energiequellen für Handys und andere Elektronik, aber problematisch in extremer Hitze oder Kälte. Ein Rice University Labor hat Möglichkeiten vorgeschlagen, um ihre Reichweite zu erweitern.

Eine Karte von Materialwissenschaftlern an der Rice University erstellt wird dazu beitragen, Lithium-Ionen-Batterien für extreme Umgebungen Labor entwickeln.

Reis Materialwissenschaftler Pulickel Ajayan und die Mitglieder seines Labor haben eine Überprüfung veröffentlicht, die jüngsten Fortschritte bei der Lithium-Ionen-Technologie analysiert und schlägt vor, wie die Batterien für anspruchsvolle Bedingungen anpassungsfähiger zu machen. Die Arbeit überprüft enthält einige Ajayan und sein Team die eigenen Pionierarbeit, die Fähigkeiten von Lithium-Ionen zu verlängern, die tragbaren Energiespeicher der Wahl für die Unterhaltungselektronik, militärische Anwendungen, Elektroautos und mehr.

Die Überprüfung wird in dieser Woche in Nature Energy.

Negative Nachrichten über Lithium-Ionen-Batterien in den letzten Jahren ging es um Handys und Rauchen Flugzeuge Batterien verbrenne. Aber häufige Fragen wie der Wunsch nach Batterien, die länger halten und laden mehr sind schnell die wesentlichen Triebfedern der Forschung.

„Wir suchten hartes Papier zu finden, die über alle Probleme zugleich spricht und was alle einzelnen Komponenten Erfahrungen bei extremen Temperaturen, und wir konnten nicht finden,“Sagte Hemtej Gullapalli, ein Postdoc-Forscher an der Rice und Co-Autor des Papiers. „So sind wir der Meinung ist dies eine gute Gelegenheit, um das Feld zu überblicken.“

Das Reis-Team war am meisten interessiert zu sehen, wie Batterien bei Temperaturen von minus durchführen 60 zu 150 Grad Celsius (Minus- 76 zu 302 Grad Fahrenheit), zu wissen, dass ich Strom-Batterien entwickelt, um in der Nähe von Raumtemperatur und in einem engen Temperaturbereich arbeiten. Bestenfalls, Lithium-Ionen-Batterien neigen zu entweder heiß oder kalt Operationen, Das ist weniger als optimal für ein Elektroauto aus der heißen Wüste getrieben zu schneebedeckten Gipfeln.

„Die Leute haben sehen nicht, dass geflissentlich bei Temperaturbeschränkungen,“Gullapalli sagte. Er wies darauf hin, wie frustrierend es sein kann, wenn ein Telefon in der Kälte oder Hitze schaltet sich ab und die Lade ein Telefon auch die Temperatur im Inneren einer Batterie erhöht - weshalb ein Telefon sollte nie in einem heißen Auto aufladen gelassen werden.

„Die meisten Forschung an Batterien und Temperaturen beinhalten Managementsysteme: Zum Beispiel, wenn ein Telefon in kalten Temperaturen, sie verlangsamen sie ein wenig die Batterie zu schonen unten," er sagte. „Aber wir fanden in unserem Test, dass die Perspektive ändert leicht. Um Batterien, die hohen Temperaturen von niedrigem arbeiten, Wissenschaftler haben die Materialien Perspektive nehmen speziell, um zu sehen, welche Temperatur der Materialien macht.“

Die elektrochemische Batterien haben drei Grundkomponenten: Eine negative Anode, eine positive Kathode und einem leitenden Elektrolyten, die Elektronen bewegen sich von einer Seite zur anderen ermöglicht,, während entweder ein Laden oder Ablassen. Die Materialien in jedem bieten Chancen, Gullapalli sagte.

„Die Menschen haben erstaunliche Arbeit geleistet," er sagte. „Sie haben fast das ganze Periodensystem berühren und alle Permutationen und Kombinationen getestet wurden. Jetzt sind wir in der Engineering-Phase, wo wir die Materialien Grenzen kennen und wir versuchen, die Barrieren zu brechen.“

Das Reis-Team baute eine umfassende Karte von Standard- und vielversprechenden neuen Materialien in handelsüblichen Batterien und detailliert ihr typisches Energiedichten und Temperaturbereiche für die einzelnen Komponenten.

„Wir verglichen Stabilitäten von Materialien in Bezug zueinander und gegenüber einer Temperaturskala,„Ajayan sagte. „Dies wird dazu beitragen Forscher eine erforderliche Kombination für ihre Bedürfnisse herauspicken.“

Leistung in aktuellen Lithium-Ionen-Batterien erfordert Kompromiss, schrieben die Forscher. Beispielsweise, Wasser basierende Elektrolyte wie Blei-Säure und Nickel-Metallhydrid arbeiten nur zwischen minus 50 und 50 C, während geschmolzene Salzbatterien arbeiten bei Temperaturen über nur Fein 90 C. Batterien mit Lithium-Thionylchlorid betreiben zwischen minus 60 und 150 C, aber nur bei Spitzen zwischen 20 und 55 C.

„Aufbau einer idealen oder eine Schließen-to-idealen System erfordert ein gründliches Verständnis der Mechanismen und subtilen jede delinquenten Komponente mit einem geeigneten Ersatz alternative,„Ajayan sagte. „Eine triviale Komponente bei Umgebungsbedingungen kann die gesamte Elektro, wenn sie hohen Temperaturen ausgesetzt ändern.“

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