Magnetfeld hilft dicken Batterieelektroden bei der Bewältigung der Herausforderungen von Elektrofahrzeugen – ScienceDaily

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Da Elektrofahrzeuge immer beliebter werden, leuchten einige ihrer verbleibenden Hauptprobleme heller im Rampenlicht. Forscher an der University of Texas in Austin gehen zwei der größten Herausforderungen an, mit denen Elektrofahrzeuge konfrontiert sind: begrenzte Reichweite und langsames Aufladen.

Die Forscher stellten eine neue Art von Elektrode für Lithium-Ionen-Batterien her, die eine größere Leistung und ein schnelleres Aufladen freisetzen könnte. Sie taten dies, indem sie dickere Elektroden – die positiv und negativ geladenen Teile der Batterie, die ein Gerät mit Strom versorgen – mit Magneten schufen, um eine einzigartige Ausrichtung zu schaffen, die häufige Probleme im Zusammenhang mit der Dimensionierung dieser kritischen Komponenten umgeht.

Das Ergebnis ist eine Elektrode, die möglicherweise die doppelte Reichweite mit einer einzigen Ladung für ein Elektrofahrzeug ermöglichen könnte, verglichen mit einer Batterie, die eine vorhandene kommerzielle Elektrode verwendet.

„Zweidimensionale Materialien gelten allgemein als vielversprechende Kandidaten für Hochgeschwindigkeits-Energiespeicheranwendungen, da sie für einen schnellen Ladungstransport nur einige Nanometer dick sein müssen“, sagte Guihua Yu, Professor am Walker Department of Mechanical Engineering and Texas der UT Austin Materialinstitut. „Bei Dickelektroden-Design-basierten Hochenergiebatterien der nächsten Generation kann das Umstapeln von Nanoblättern als Bausteine ​​jedoch erhebliche Engpässe beim Ladungstransport verursachen, was zu Schwierigkeiten beim Erreichen von sowohl hoher Energie als auch schnellem Laden führt.“

Der Schlüssel zur Entdeckung, veröffentlicht in der Proceedings of the National Academy of Sciences, verwendet dünne zweidimensionale Materialien als Bausteine ​​der Elektrode, stapelt sie, um Dicke zu erzeugen, und verwendet dann ein Magnetfeld, um ihre Ausrichtung zu manipulieren. Das Forschungsteam verwendete während des Herstellungsprozesses im Handel erhältliche Magnete, um die zweidimensionalen Materialien in einer vertikalen Ausrichtung anzuordnen und so eine Überholspur für Ionen zu schaffen, die durch die Elektrode wandern.

Typischerweise zwingen dickere Elektroden die Ionen dazu, längere Strecken zurückzulegen, um sich durch die Batterie zu bewegen, was zu einer langsameren Ladezeit führt. Die typische horizontale Ausrichtung der Materialschichten, aus denen die Elektrode besteht, zwingt die Ionen dazu, sich hin und her zu schlängeln.

„Unsere Elektrode zeigt eine überlegene elektrochemische Leistung, teilweise aufgrund der hohen mechanischen Festigkeit, der hohen elektrischen Leitfähigkeit und des erleichterten Lithium-Ionen-Transports dank der einzigartigen Architektur, die wir entworfen haben“, sagte Zhengyu Ju, ein Doktorand in Yus Forschungsgruppe, der dieses Projekt leitet .

Zusätzlich zum Vergleich ihrer Elektrode mit einer handelsüblichen Elektrode stellten sie zu experimentellen Kontrollzwecken auch eine horizontal angeordnete Elektrode aus den gleichen Materialien her. Sie waren in der Lage, die vertikale dicke Elektrode in 30 Minuten auf 50 % Energieniveau aufzuladen, verglichen mit 2 Stunden und 30 Minuten bei der horizontalen Elektrode.

Die Forscher betonten, dass sie mit ihrer Arbeit in diesem Bereich noch am Anfang stehen. Sie betrachteten in dieser Forschung nur einen einzigen Typ von Batterieelektroden.

Ihr Ziel ist es, ihre Methodik vertikal organisierter Elektrodenschichten zu verallgemeinern, um sie mit anderen Materialien auf verschiedene Arten von Elektroden anzuwenden. Dies könnte dazu beitragen, dass die Technik in der Industrie weiter verbreitet wird, sodass sie in Zukunft schnell aufladbare und dennoch hochenergetische Batterien ermöglichen könnte, die Elektrofahrzeuge antreiben.

Das Forschungsteam umfasst von der University of Texas at Austin: Yu, Ju, Xiao Xu, Xiao Zhang und Kasun U. Raigama; und vom Stony Brook/Brookhaven National Laboratory: Steven T. King, Kenneth J. Takeuchi, Amy C. Marschilok, Lei Wang und Esther S. Takeuchi. Die Forschung wurde vom US-Energieministerium über das multiinstitutionelle Energy Frontier Research Center, das Center for Mesoscale Transport Properties, finanziert.

Geschichte Quelle:

Materialien zur Verfügung gestellt von Universität von Texas in Austin. Hinweis: Inhalt kann für Stil und Länge bearbeitet werden.

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