Elektroda baterai menebal sebagai akibat dari pengangkutan ion lithium yang dipercepat melalui jejak logam, membuatnya sangat efisien dan hemat biaya
To the point:
- Baterai Lithium-ion: Elektroda dapat setidaknya sepuluh kali lebih tebal dari biasanya hari ini jika bahan aktif diterapkan pada bulu logam alih-alih kontak yang terbuat dari foil logam.
- Sifat yang dioptimalkan: Kepadatan energi dari elektroda bulu ini meningkat hingga 85 persen dibandingkan dengan elektroda foil konvensional.
- Ion yang dipercepat: Salah satu keuntungan dari kontak bulu adalah bahwa ion lithium diangkut dengan sangat cepat melalui lapisan ganda listrik di permukaan logam kontak, seperti yang telah dibuktikan oleh tim Max Planck.
- Spin-off Max Planck: Batene GmbH mengkomersialkan elektroda bulu ini, yang tidak hanya lebih efisien tetapi juga lebih murah untuk diproduksi daripada elektroda foil konvensional.
Baterai menjadi semakin kuat. Sebuah penemuan oleh para peneliti di Max Planck Institute for Medical Research di Heidelberg sekarang dapat memberi mereka dorongan energi yang signifikan. Sebuah tim yang dipimpin oleh Direktur Max Planck Joachim Spatz telah menemukan bahwa bulu logam yang digunakan sebagai bahan kontak dalam elektroda baterai secara signifikan mempercepat transportasi muatan ion logam, khususnya. Ini memungkinkan untuk membangun elektroda yang secara signifikan lebih tebal daripada standar saat ini. Ini berarti bahwa kira -kira setengah dari logam kontak dan bahan lain yang tidak berkontribusi pada penyimpanan energi dapat disimpan. Hal ini memungkinkan para peneliti untuk secara signifikan meningkatkan kepadatan energi dalam baterai.
Status quo: Kompromi antara kepadatan energi dan kinerja
“Dasar untuk ini adalah mekanisme yang sebelumnya tidak diketahui yang kami temukan dalam transportasi ion dalam elektroda,” kata Joachim Spatz. Elektroda baterai terdiri dari bahan kontak dan bahan aktif. Bahan Kontak – Hari ini ini adalah foil tembaga untuk terminal negatif baterai lithium -ion dan aluminium foil untuk terminal positif – hanya berfungsi untuk mengangkut arus ke dan dari elektroda. Bahan aktif adalah bahan penyimpanan aktual yang menyerap dan melepaskan muatan selama pengisian dan pemakaian. Saat ini, produsen baterai menggunakan grafit di terminal negatif dan berbagai senyawa anorganik yang mengandung lithium di terminal positif. Bahan aktif berpori sehingga ditembus oleh elektrolit cair.
Meskipun bahan aktif yang biasa digunakan saat ini menyerap cukup banyak muatan, mereka melakukan ion dengan sangat buruk. Ion harus bermigrasi melalui elektrolit cair ke dalam bahan aktif. Karena mereka dikemas dalam cangkang molekul elektrolit dan sebaliknya tebal, mereka bergerak dengan lamban melalui elektrolit. Dan mereka tidak maju dengan baik dalam bahan aktif itu sendiri. Ini memberi produsen baterai dengan dilema: apakah mereka membuat elektroda tebal sehingga kepadatan energinya setinggi mungkin, tetapi kemudian baterai yang dimaksud tidak dapat diisi dan dikeluarkan dengan cepat. Atau mereka membuat elektroda sangat tipis dan menerima bahwa kepadatan energi akan berkurang untuk mencapai pengisian dan pemakaian yang cepat. Dengan kompromi antara kedua properti, produsen baterai saat ini berakhir dengan elektroda yang sekitar sepersepuluh milimeter tipis. Ini sesuai dengan diameter rambut manusia.
Pendekatan baru: Transportasi ion yang dipercepat melalui lapisan ganda listrik
Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan dalam jurnal ACS Nano, tim Heidelberg kini telah menunjukkan bagaimana elektroda dapat diproduksi setidaknya sepuluh kali lebih tebal dari biasanya hari ini dan masih dikenakan dan dikeluarkan dengan cepat. Para peneliti telah menunjukkan bahwa ion lithium melepaskan cangkang molekulnya pada permukaan tembaga, menyimpan diri di sana dan membentuk lapisan ganda listrik dengan elektron yang menumpuk di bawah permukaan logam, yang dikenal sebagai lapisan Helmholtz. “Menggunakan pengaturan pengukuran yang dikembangkan secara khusus dan perhitungan teoretis, kami telah menunjukkan bahwa ion lithium bergerak melalui lapisan Helmholtz sekitar 56 kali lebih cepat daripada melalui elektrolit,” kata Joachim Spatz. “Oleh karena itu, permukaan logam adalah semacam jalan raya untuk ion logam.”
Ketika ion logam bermigrasi begitu cepat melintasi permukaan logam, itu berarti disarankan untuk menyelingi bahan aktif dengan jaringan jalan tol logam untuk transportasi ion. Inilah yang dilakukan Joachim Spatz dan timnya. Para peneliti telah menghasilkan bulu dari benang logam yang hanya beberapa ratus milimeter tebal. Mereka kemudian memasukkan bahan aktif ke dalam bulu logam. Ini berarti bahwa mereka hanya membutuhkan setengah tembaga sebanyak yang diperlukan untuk elektroda foil konvensional. Bahkan jika sebuah elektroda sekitar sepuluh kali lebih tebal dari biasanya hari ini, ion lithium masih mengalir masuk dan keluar dari bahan aktif melalui bulu begitu cepat sehingga cukup untuk digunakan dalam mobil listrik, misalnya. Untuk elektroda bulu, intinya adalah bahwa kepadatan energi hingga 85 persen lebih tinggi daripada untuk elektroda foil.
Batene GmbH: start-up untuk elektroda bulu
“Menyediakan bahan dengan muatan melalui lapisan dua dimensi sama sekali tidak efisien,” kata Joachim Spatz, menunjuk pada contoh alam: ia memasok organisme melalui jaringan tiga dimensi kapal. “Itulah tujuan teknologi kami: jaringan pasokan 3D untuk pembawa pengisian daya yang dapat digunakan untuk mengisi daya dan melepaskan baterai secara efisien.”
Namun, elektroda bulu tidak hanya secara signifikan lebih kuat daripada elektroda foil, mereka juga lebih mudah dan lebih murah untuk diproduksi. Ini karena dalam produksi baterai saat ini, produsen harus menerapkan lapisan tipis bahan aktif ke foil kontak dalam proses yang kompleks, kadang -kadang menggunakan pelarut beracun. Sebaliknya, bahan aktif dapat dimasukkan ke dalam bentuk bulu dalam bentuk bubuk. “Dengan pengisian kering, kami mungkin dapat menghemat 30 hingga 40 persen dari biaya produksi, dan fasilitas produksi membutuhkan ruang ketiga lebih sedikit,” kata Joachim Spatz.
Karena peneliti melihat potensi besar dalam elektroda bulu, ia telah mendirikan perusahaan baru yang mengembangkan teknologi baterai untuk kesiapan pasar bersama dengan, misalnya, produsen mobil utama. Dan ini, Joachim Spatz yakin, juga dapat meningkatkan peluang produsen Jerman untuk bersaing dalam teknologi baterai yang berkembang dengan cepat: “Dengan teknologi kami, kami memiliki kesempatan untuk mengejar ketinggalan dengan produsen Asia dan menjadi lebih baik.”
