enhancing the power of batteries
mit team finds that using carbon nanotubes in a lithium battery can dramatically improve its energy capacity.
batteries might gain a boost in power capacity as a result of a new finding from researchers at mit. they found that using carbon nanotubes for one of the battery’s electrodes produced a
significant increase — up to tenfold — in the amount of power it could deliver from a given weight of material, compared to a conventional lithium-ion battery. such electrodes might find applications in small portable devices, and with further research might also lead to improved batteries for larger, more power-hungry applications.
to produce the powerful new electrode material, the team used a layer-by-layer fabrication method, in which a base material is alternately dipped in solutions containing carbon nanotubes that have been treated with simple organic compounds that give them either a positive or negative net charge. when these layers are alternated on a surface, they bond tightly together because of the complementary charges, making a stable and durable film.
the findings, by a
team led by associate professor of mechanical engineering and materials science and engineering yang shao-horn, in collaboration with
bayer chair professor of chemical engineering paula hammond, are reported in a paper
published june 20 in the journal nature nanotechnology. the lead authors are chemical
engineering student seung woo lee phd ’10 and postdoctoral researcher naoaki yabuuchi.
batteries, such as the lithium-ion batteries widely used in portable electronics, are made up of three basic components:
two electrodes (called the anode, or negative electrode, and the cathode, or positive electrode) separated by an
electrolyte, an electrically conductive material through which charged particles, or ions, can move easily. when these batteries are in use, positively charged lithium ions travel across the
electrolyte to the
cathode, producing an electric current;
when they are recharged, an external current causes these ions to move the opposite way, so they become embedded in the spaces in the porous material of the anode.
in the new battery electrode, carbon nanotubes — a form of pure carbon in which sheets of carbon atoms are rolled up into tiny tubes — “self-assemble” into a tightly bound structure that is porous at the nanometer scale (billionths of a meter).
in addition, the carbon nanotubes have many oxygen groups on their surfaces, which can store a large number of lithium ions; this enables carbon nanotubes for the first time to serve as the positive electrode in lithium batteries, instead of just the negative electrode.
this “electrostatic self-assembly” process is important, hammond explains, because ordinarily carbon nanotubes on a surface tend to clump together in bundles, leaving fewer exposed surfaces to undergo reactions. by incorporating organic molecules on the nanotubes, they assemble in a way that “
has a high degree of porosity while having a great number of nanotubes present,” she says.
powerful and stable
lithium batteries with the new material demonstrate some of the advantages of both capacitors, which can produce very high power outputs in short bursts, and lithium batteries, which can provide lower power steadily for long periods, lee says. the energy output for a given weight of this new electrode material was shown to be
five times greater than for conventional capacitors, and the
total power delivery rate was 10 times that of lithium-ion batteries, the team says. this performance can be attributed to good conduction of ions and electrons in the electrode, and efficient lithium storage on the surface of the nanotubes.
in addition to their high power output, the carbon-nanotube electrodes showed very good stability over time.
after 1,000 cycles of charging and discharging a test battery, there was no detectable change in the material’s performance.
the electrodes the team produced had thicknesses up to a few microns, and the improvements in energy delivery only were seen at high-power output levels. in future work, the team aims to produce thicker electrodes and extend the improved performance to low-power outputs as well, they say.
in its present form, the material might have applications for small, portable electronic devices, says shao-horn, but if the reported high-power capability were demonstrated in a much thicker form — with thicknesses of hundreds of microns rather than just a few — it might eventually be suitable for other applications such as hybrid cars.
while the electrode material was produced by alternately dipping a substrate into two different solutions — a relatively time-consuming process — hammond suggests that the process could be modified by instead spraying the alternate layers onto a moving ribbon of material, a technique now being developed in her lab. this could eventually open the possibility of a continuous manufacturing process that could be scaled up to high volumes for commercial production, and could also be used to produce thicker electrodes with a greater power capacity. “
there isn’t a real limit” on the potential thickness, hammond says. “
the only limit is the time it takes to make the layers,” and the spraying technique can be up to 100 times faster than dipping, she says.
lee says that while carbon nanotubes have been produced in limited quantities so far, a number of companies are currently gearing up for mass production of the material, which could help to make it viable for large-scale battery manufacturing.
yury gogotsi, professor of materials science at drexel university, says, “this is an important achievement, because there is a need for energy storage in a thin-film format for powering portable electronic devices and for flexible, wearable electronics. bridging the performance gap between batteries and electrochemical capacitors is an important task, and the mit group has made an important step in this direction.”
some uncertainties remain, however. “the electrochemical performance data presented in the article may only be valid for relatively thin films with no packaging,” gogotsi says, pointing out that the measured results were for just the individual electrode, and results might be different for a whole battery with its multiple parts and outer container.
“the question remains whether the proposed approach will work for much thicker conventional electrodes, used in devices that are used in hybrid and electric cars, wind power generators, etc.” but, he adds,
if it does turn out that this new system works for such thicker electrodes, “the significance of this work will increase dramatically.”
melhorar a alimentação das baterias
equipe do mit descobre que o uso de nanotubos de carbono em uma bateria de lítio pode melhorar drasticamente a sua capacidade energética.
as baterias podem ganhar um aumento na capacidade de poder como resultado de uma nova descoberta dos pesquisadores do mit. eles descobriram que usando nanotubos de carbono para um dos eletrodos da bateria produziu um aumento significativo - até dez vezes - na quantidade de energia que poderia entregar a partir de um determinado peso de material, em comparação a uma bateria de iões de lítio convencionais. esses eletrodos podem encontrar aplicações em dispositivos portáteis pequenos, e com mais pesquisas poderiam também levar a baterias melhoradas para aplicações maiores e mais sedento de poder.
para produzir o material de eletrodo nova e poderosa, a equipe usou uma camada por camada método de fabricação, no qual um material de base é alternadamente mergulhadas em soluções contendo nanotubos de carbono que têm sido tratados com compostos orgânicos simples que lhes dão tanto um líquido positivo ou negativo carga. quando essas camadas são alternadas em uma superfície, a ligação que eles bem juntos por causa dos encargos complementares, fazendo um filme estável e durável.
os resultados, por uma equipa liderada pelo professor associado de engenharia mecânica e ciência dos materiais e engenharia yang shao-horn, em colaboração com a bayer presidente professor de engenharia química paula hammond, são relatados em um artigo publicado em 20 de junho da revista nature nanotechnology. os autores são estudantes de engenharia química seung woo lee phd '10 e investigador postdoctoral naoaki yabuuchi.
baterias, como as baterias de iões de lítio utilizadas em equipamentos eletrônicos portáteis, são constituídos por três componentes básicos: dois eletrodos (chamado de ânodo, ou eletrodo negativo eo cátodo, ou eletrodo positivo) separados por um eletrólito, uma eletricamente condutivo material através do qual as partículas carregadas ou íons podem se mover facilmente. quando essas baterias estão em uso, carregada positivamente íons de lítio atravessam o eletrólito para o cátodo, produzindo uma corrente elétrica, quando são recarregadas, uma causa externa atual desses íons para mover na direção oposta, de modo que se tornam incorporados nos espaços da material poroso do anodo.
no eletrodo de bateria nova, nanotubos de carbono - uma forma de carbono puro, no qual as folhas de átomos de carbono são enroladas em tubos minúsculos - "auto-montar" em uma estrutura fortemente ligada que é porosa na escala de nanômetros (bilionésimos de metro) . além disso, os nanotubos de carbono têm muitos grupos de oxigênio em sua superfície, que pode armazenar um grande número de íons de lítio, o que permite que os nanotubos de carbono, pela primeira vez para servir como eletrodo positivo em baterias de lítio, em vez de apenas o eletrodo negativo.
este "eletrostática a auto-montagem" do processo é importante, hammond explica, porque normalmente os nanotubos de carbono sobre uma superfície tendem a se aglutinarem em feixes, deixando menos as superfícies expostas a sofrer reações. através da incorporação de moléculas orgânicas sobre os nanotubos, eles se reúnem em uma maneira que "tem um alto grau de porosidade, tendo um grande número de nanotubos de presente", diz ela.
potente e estável
as baterias de lítio com o novo material demonstrar algumas das vantagens de ambos os capacitores, que pode produzir níveis de potência muito elevada em rajadas curtas, e as baterias de lítio, que pode proporcionar baixo consumo de energia de forma constante por longos períodos, lee diz. a produção de energia para um determinado peso deste material novo eletrodo mostrou ser cinco vezes maior que para capacitores convencionais, ea taxa de entrega total de energia foi 10 vezes maior do que as baterias de iões de lítio, a equipe diz. esse desempenho pode ser atribuído à boa condução de íons e elétrons no eletrodo e armazenamento eficiente de lítio na superfície dos nanotubos.
além de sua alta potência, os eletrodos de nanotubos de carbono mostraram estabilidade muito boa ao longo do tempo. após 1.000 ciclos de carga e descarga de uma bateria de testes, não houve alteração detectável no desempenho do material.
os eletrodos, a equipe produziu tinha a espessura de até alguns mícrons, e as melhorias no fornecimento de energia só foram vistos em níveis de saída de alta potência. em trabalhos futuros, a equipe pretende produzir eletrodos mais grossos e alargar o melhor desempenho para as saídas de baixa potência, bem como, dizem eles. na sua forma actual, o material pode ter aplicações para pequenos dispositivos eletrônicos portáteis, afirma shao-horn, mas se o relatado capacidade de alta potência foram demonstrados de forma muito mais grosso - com espessuras de centenas de microns, e não apenas alguns - que eventualmente pode ser adequado para outras aplicações, como os carros híbridos.
embora o material do eletrodo foi produzido por imersão alternadamente um substrato em duas soluções diferentes - um processo relativamente demorado - hammond sugere que o processo poderia ser modificado em vez da pulverização de camadas alternadas em uma fita de material em movimento, uma técnica a ser desenvolvida em seu laboratório. isso poderia, eventualmente, abrir a possibilidade de um processo de fabricação contínua, que pode ser ampliada para altos volumes de produção comercial, e também poderia ser usado para produzir eletrodos mais grossos, com uma capacidade maior de energia. "não há um limite real" sobre o potencial de espessura, hammond disse. "o único limite é o tempo que leva para fazer as camadas", e da técnica de pulverização pode ser até 100 vezes mais rápido do que mergulhar, diz ela.
lee diz que, enquanto os nanotubos de carbono foram produzidos em quantidades limitadas, até agora, várias empresas estão se preparando para a produção em massa do material, que poderia ajudar a torná-lo viável para a fabricação de baterias de grande escala.
yury gogotsi, professor de ciência de materiais da universidade de drexel, diz: "esta é uma conquista importante, porque existe uma necessidade de armazenamento de energia em um formato de película fina para alimentação de dispositivos eletrônicos portáteis e flexíveis, eletrônicos vestíveis. colmatar a lacuna de desempenho entre as baterias e capacitores eletroquímicos, é uma tarefa importante, o grupo do mit e deu um passo importante nessa direção. "
algumas incertezas permanecem, no entanto. "os dados eletroquímicos desempenho apresentado no artigo só pode ser válido para os filmes relativamente fina sem embalagem", gogotsi diz, ressaltando que os resultados foram medidos por apenas eletrodo do indivíduo, e os resultados podem ser diferentes para uma bateria inteira com suas múltiplas peças e recipiente externo. "a questão que permanece é se a abordagem proposta de trabalho para muito mais espessa eletrodos convencionais, usados em dispositivos que são usados em carros híbridos e elétricos, geradores de energia eólica, etc" mas, acrescenta ele, se não se verificar que esse novo sistema funciona para tal eletrodos mais grossos, "a importância deste trabalho irá aumentar dramaticamente."
em:
http://web.mit.edu/newsoffice/2010/batt ... -0621.html
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