Framtida elbilar skulle kunna gå mer än 600 mil på en enda laddning tack vare batteriförstärkande gel
Räckviddsångest för elfordon (EV) kan snart vara ett minne blott tack vare ett genombrott inom batteriteknik, som kan ge elbilar en räckvidd på mer än 1 000 kilometer.
Dagens elbilar har en maximal räckvidd på 300 miles (480 km) i genomsnitt. Även elbilen med längsta räckvidd, den Lucid Airtar slut efter cirka 500 miles (800 km).
Men i en ny studie använde forskare små kiselpartiklar och en gelbaserad elektrolyt för att utnyttja högladdningskapaciteten hos kiselanoder i litiumjonbatterier. Forskarna publicerade sina resultat den 17 januari i tidskriften Avancerad vetenskap.
Laddning fungerar omvänt, med positiva litiumjoner som återvänder till anoden och elektroner som flödar tillbaka över en krets till terminalen när den får en positiv laddning. När inga fler joner kan flöda till noden – nu tekniskt sett en katod – anses batteriet vara fulladdat.
Kisel har utforskats mycket som en kandidat för anoden i litiumjonbatterier eftersom det kan hålla upp till 10 gånger så många litiumjoner jämfört med motsvarande grafitanoder — som används i de flesta litiumjonbatterier idag. Men kisel expanderar med upp till tre gånger sin storlek när det tar emot en laddning, vilket kan skada batteriet. Kisel i nanometerskala kan mildra detta problem, men ett sådant system kräver en komplex och dyr produktionsprocess.
Men i den nya studien valde forskarna kiselpartiklar i mikrometerskala kopplade till en elastisk gelelektrolyt som sprider den inre stressen orsakad av en expanderande kiselanod. Detta förhindrar batteriförsämring utan att kompromissa med konduktiviteten.
Eftersom partiklar i mikrometerskala är 1 000 gånger större än nanometerekvivalenter, banar detta nya batterisystem vägen för kiselanoder med hög laddningskapacitet utan den kostsamma produktionen.
”Vi använde en mikrokiselanod, men vi har ett stabilt batteri. Den här forskningen för oss närmare ett riktigt högenergi-densitets litiumjonbatterisystem,” studiens medförfattare Soojin Parken professor i kemi vid Pohang University of Science and Technology i Sydkorea, sade i en påstående.
Stretchande silikon
För att få detta kiselgelelektrolytsystem att fungera bestrålade forskarna en gelbaserad polymer med en elektronstråle för att bilda kovalenta bindningar mellan kiselpartiklarna i mikrometerskala och elektrolyten.
Genom att länka samman anoden och elektrolyten tillåter den gelens elastiska karaktär att absorbera och avleda spänningen från kiselexpansionen. Gelelektrolyten kan också mildra en del av den sprickbildning som uppstår när kisel expanderar, vilket förbättrar kiselelektrodens strukturella stabilitet; teoretiskt sett borde detta leda till litiumjonbatterier som håller längre.
Det övergripande resultatet var ett litiumbatteri med ”en ungefärlig 40% förbättring av energitätheten” och en jonledningsförmåga som liknar batterier som använder en flytande elektrolyt. Enkelt uttryckt betyder det ett litiumjonbatteri som kan hålla mer positivt laddade joner – i huvudsak med en större energikapacitet – samtidigt som effektiv energiöverföring bevaras.
I verklig användning kan det innebära en längre batteritid för konsumentenheter, medan EV-batterier kan ha en räckvidd som överstiger 620 miles på en enda laddning. Jämfört med kiselpartiklar i nanometerskala sa forskarna också att ett kiselpartikelsystem i mikrometerskala kan vara mer kostnadseffektivt och passa in i dagens produktionsmetoder nästan omedelbart.
”Integrationsstrategin, som helt enkelt involverar applicering av en elektronstråle, kan lätt implementeras i befintliga batteriproduktionslinjer,” sa forskarna i tidningen.
