Pramonės naujienos

Naujas elektrodų dizainas gali sukelti galingesnes baterijas

2021-11-03




MIT komanda sukūrė ličio metalo anodą, kuris galėtų pagerinti būsimų baterijų ilgaamžiškumą ir energijos tankį.

 

Nauji MIT ir kitur inžinierių tyrimai gali padėti sukurti baterijas, kurios gali turėti daugiau galios vienam svarui ir tarnaus ilgiau, remiantis ilgai siekiamu tikslu naudoti gryną ličio metalą kaip vieną iš dviejų akumuliatoriaus elektrodų – anodą.

 

Naujoji elektrodų koncepcija kilusi iš Ju Li, Battelle Energy Alliance Branduolinio mokslo ir inžinerijos profesoriaus bei medžiagų mokslo ir inžinerijos profesoriaus, laboratorijos. Šiandien jis aprašytas žurnale „Nature“, straipsnyje, kurį bendrai parašė Yuming Chen ir Ziqiang Wang iš MIT, kartu su 11 kitų MIT ir Honkonge, Floridoje ir Teksase.

 

Šis dizainas yra dalis saugių kietojo kūno baterijų kūrimo koncepcijos, atsisakant skysčio arba polimero gelio, paprastai naudojamo kaip elektrolito medžiaga tarp dviejų akumuliatoriaus elektrodų. Elektrolitas leidžia ličio jonams judėti pirmyn ir atgal akumuliatoriaus įkrovimo ir iškrovimo ciklų metu, o visiškai kieta versija gali būti saugesnė nei skysti elektrolitai, kurie pasižymi dideliu lakumu ir buvo ličio baterijų sprogimų šaltinis.

 

„Buvo daug darbo su kietojo kūno akumuliatoriais su ličio metalo elektrodais ir kietaisiais elektrolitais“, – sako Li, tačiau šios pastangos susidūrė su daugybe problemų.

 

Viena didžiausių problemų yra ta, kad kai akumuliatorius įkraunamas, ličio metalo viduje kaupiasi atomai, todėl jis plečiasi. Iškrovimo metu metalas vėl susitraukia, kai baterija yra naudojama. Dėl šių pasikartojančių metalo matmenų pokyčių, panašių į įkvėpimo ir iškvėpimo procesą, kietosioms medžiagoms sunku palaikyti nuolatinį kontaktą, be to, kietasis elektrolitas gali lūžti arba atsiskirti.

 

Kita problema yra ta, kad nė vienas iš siūlomų kietųjų elektrolitų nėra tikrai chemiškai stabilus, kai liečiasi su labai reaktyviu ličio metalu, ir jie linkę laikui bėgant irti.

 

Dauguma bandymų įveikti šias problemas buvo nukreipti į kietų elektrolitų medžiagų, kurios būtų visiškai stabilios prieš ličio metalą, kūrimą, o tai pasirodė sudėtinga. Vietoj to, Li ir jo komanda pasirinko neįprastą dizainą, kuriame naudojamos dvi papildomos kietųjų dalelių klasės: „mišrūs joniniai-elektroniniai laidininkai“ (MIEC) ir „elektronų ir ličio jonų izoliatoriai“ (ELI), kurie visiškai yra chemiškai stabilus sąlytyje su ličio metalu.

 

Tyrėjai sukūrė trimatę nanoarchitektūrą kaip korio pavidalo šešiakampių MIEC vamzdžių masyvą, iš dalies įlietą kieto ličio metalo, kad susidarytų vienas baterijos elektrodas, tačiau kiekviename vamzdelyje liko papildomos vietos. Kai įkrovimo metu litis plečiasi, jis teka į tuščią erdvę vamzdžių viduje ir juda kaip skystis, nors išlaiko kietą kristalinę struktūrą. Šis srautas, visiškai uždarytas korio struktūros viduje, sumažina slėgį dėl išsiplėtimo, kurį sukelia įkrovimas, tačiau nekeičia elektrodo išorinių matmenų ar ribos tarp elektrodo ir elektrolito. Kita medžiaga, ELI, tarnauja kaip esminis mechaninis rišiklis tarp MIEC sienelių ir kieto elektrolito sluoksnio.

 

„Mes sukūrėme šią struktūrą, kuri suteikia mums trimačius elektrodus, pavyzdžiui, korius“, – sako Li. Tuščios erdvės kiekviename konstrukcijos vamzdyje leidžia ličiui „šliaužti atgal“ į vamzdelius, „ir tokiu būdu jis nesukuria įtampos, kad įtrūktų kietasis elektrolitas“. ir susitraukiantis ličio kiekis šiuose vamzdeliuose juda į ir išeina, tarsi automobilio variklio stūmokliai cilindrų viduje. Kadangi šios konstrukcijos yra pagamintos nanoskalės matmenimis (vamzdžiai yra maždaug 100–300 nanometrų skersmens ir dešimčių mikronų aukščio), rezultatas yra tarsi variklis su 10 milijardų stūmoklių, kurių darbinis skystis yra ličio metalas, – sako Li.

 

Kadangi šių į korius panašių konstrukcijų sienos yra pagamintos iš chemiškai stabilaus MIEC, litis niekada nepraranda elektrinio kontakto su medžiaga, sako Li. Taigi, visas kietas akumuliatorius gali išlikti mechaniškai ir chemiškai stabilus, kai jis praeina per savo naudojimo ciklus. Komanda eksperimentiškai įrodė koncepciją, išbandydama 100 įkrovimo ir iškrovimo ciklų, nesukeldama jokių kietųjų dalelių skilimo.

 

 

Apverčiamas Li metalo dengimas ir nuėmimas anglies vamzdelyje, kurio vidinis skersmuo 100 nm. Tyrėjų sutikimu.

 

Li sako, kad nors daugelis kitų grupių dirba su kietomis baterijomis, dauguma šių sistemų iš tikrųjų veikia geriau, kai skystas elektrolitas sumaišytas su kieto elektrolito medžiaga. „Tačiau mūsų atveju“, – sako jis, „viskas tikrai tvirta“. Jame nėra jokio skysčio ar gelio.â

 

Naujoji sistema gali padėti sukurti saugius anodus, kurie sveria tik ketvirtadalį daugiau nei įprasti jų analogai ličio jonų baterijose, o tokia pat talpa. Jei šis darbas būtų derinamas su naujomis lengvų kito elektrodo, katodo, versijų koncepcijomis, bendras ličio jonų baterijų svoris gali labai sumažėti. Pavyzdžiui, komanda tikisi, kad tai gali paskatinti mobiliuosius telefonus, kuriuos būtų galima įkrauti tik kartą per tris dienas, nepadarant telefonų sunkesnių ar stambesnių.

 

Vieną naują lengvesnio katodo koncepciją aprašė kita komanda, vadovaujama Li, straipsnyje, kuris praėjusį mėnesį pasirodė žurnale „Nature Energy“, kurio bendraautorius yra MIT postdoc Zhi Zhu ir absolventas Daiwei Yu. Medžiaga sumažintų nikelio ir kobalto, kurie yra brangūs ir toksiški bei naudojami dabartiniuose katoduose, naudojimą. Naujasis katodas remiasi ne tik šių pereinamųjų metalų talpos įnašu į akumuliatoriaus ciklą. Vietoj to, jis labiau priklausytų nuo deguonies redokso pajėgumo, kuris yra daug lengvesnis ir gausesnis. Tačiau šio proceso metu deguonies jonai tampa mobilesni, todėl jie gali išeiti iš katodo dalelių. Tyrėjai panaudojo aukštos temperatūros paviršiaus apdorojimą išlydyta druska, kad ant mangano ir ličio turtingo metalo oksido dalelių susidarytų apsauginis paviršiaus sluoksnis, todėl deguonies nuostolių kiekis smarkiai sumažėja.

 

Nors paviršinis sluoksnis yra labai plonas, tik 5–20 nanometrų storio ant 400 nanometrų pločio dalelės, jis gerai apsaugo pagrindinę medžiagą. „Tai beveik kaip imunizacija“, – sako Li, nuo žalingo deguonies praradimo kambario temperatūroje baterijose poveikio. Dabartinės versijos suteikia bent 50 procentų energijos, kurią galima sukaupti tam tikram svoriui, pagerėjimą ir daug geresnį dviračio stabilumą.

 

Kol kas komanda sukūrė tik nedidelius laboratorinius įrenginius, bet „Tikiuosi, kad tai bus labai greitai išplėsta“, – sako Li. Reikalingos medžiagos, dažniausiai manganas, yra žymiai pigesnės nei kitose sistemose naudojamas nikelis ar kobaltas, todėl šie katodai galėtų kainuoti vos penktadalį tiek, kiek įprasti variantai.

 

Tyrimų grupėse buvo mokslininkai iš MIT, Honkongo politechnikos universiteto, Centrinės Floridos universiteto, Teksaso universiteto Ostine ir Brookhaven nacionalinės laboratorijos Uptone, Niujorke. Darbą parėmė Nacionalinis mokslo fondas.