Ny batteriteknik kommer att minska laddningstiderna och öka elbilens räckvidd innan decenniet är slut
En teknik som dramatiskt kan öka räckvidden och minska laddningstiden för elfordonsbatterier kan snart finnas i många fler bilar. Tekniken byter ut den grafit som normalt används på de negativt laddade anoderna på litiumjonbatterier mot kisel.
Panasonic tillkännagav nyligen ett partnerskap med Sila Nanotechnologies, som tillverkar kiselanoderna, för att integrera tekniken i företagets befintliga batteriproduktionslinje 2024.
Släkt: Hur fungerar elfordonsbatterier och vad påverkar deras egenskaper?
Över 14 miljoner elfordon såldes 2023och deras popularitet förväntas öka under de kommande åren. För närvarande använder dessa fordon högpresterande litiumjonbatterier. Även om dessa batterier blir bättre för varje dag, begränsar vissa hinder fortfarande deras användbarhet och bekvämlighet.
”Förmågan hos ett batteri att lagra energi i förhållande till dess storlek och vikt, känd som energitäthet, är en nyckelfaktor för elfordon, eftersom det påverkar avståndet de kan täcka på en enda laddning.” Azin Fahimivetenskaplig chef vid Sienza energi USA, som leder ett team som arbetar med en annan kiselanodimplementering än Sila bygger, berättade för WordsSideKick.com. ”En annan avgörande aspekt är effekttäthet, som hänvisar till hur snabbt ett batteri kan leverera energi.”
Med andra ord, om en bil inte kan gå särskilt långt mellan laddningarna, är det en nonstarter för många konsumenter. Så varför har den nya kiselanoden en så dramatisk inverkan på räckvidden och laddningstiden?
Batterier är beroende av rörelsen av laddade partiklar, så kallade joner, mellan elektroderna eller två elektriska ledare. Under laddningen rör sig litiumjoner från den positiva elektroden (katoden), genom en ledande lösning som kallas elektrolyten, och in i den negativa elektroden (anoden), där de lagras tills ström behövs.
”När batteriet ger ström till en enhet, flyttar litiumjonerna tillbaka från anoden till katoden,” sa Fahimi. ”Denna rörelse av joner tillåter elektroner att flöda genom den externa kretsen och genererar en elektrisk ström som driver enheten.”
Eftersom jonerna lagras på anoden tills de behövs för att driva bilen, spelar anodmaterialet en avgörande roll för ett batteris prestanda.
”Ett bra anodmaterial bör ha en hög litiumlagringskapacitet för att säkerställa hög energitäthet, god elektrisk ledningsförmåga för att underlätta effektivt elektronflöde, [and] snabb jontransport för snabb laddning,” sa Fahimi. Anoden behöver också en stabil struktur som inte ändras i volym när joner flödar in och ut ur den eftersom detta kan skada ytan, tillade hon.
Konventionellt har litiumjonbatterier använt grafitanoder. Den skiktade strukturen av detta ledande material gör att joner kan röra sig in i och ut ur anoden utan att den ändrar mycket i volym.
Men på grund av sin kemi kan kisel hålla mer än tio gånger mer energi per gram, sa Fahimi.
”Denna högre kapacitet innebär att kisel kan lagra fler litiumjoner, vilket resulterar i en högre energitäthet för batteriet,” sa Fahimi. ”En högre energitäthet översätter till en längre räckvidd för elbilar på en enda laddning.”
Tyvärr sväller kisel till tre eller fyra gånger sin ursprungliga storlek när det fylls med litiumjoner, vilket leder till ”mekanisk stress och eventuell nedbrytning av anodmaterialet”, sa hon.
Därför är noggrann design i nanoskala av kiselanoden avgörande för att övervinna denna utmaning. I uppföljningsarbetet arbetar Fahimis team på Sienza och teamen på Sila med att lösa detta problem.
Redaktörens anmärkning: Den här historien uppdaterades kl. 10:15 EDT för att korrigera materialet som använde batteriet i ett fall; det är grafit, inte grafen.
