Pramonės naujienos

Pertvarkyti srovės laidininkai padidina ličio jonų baterijos efektyvumą ir saugumą

2022-01-07

Pridėjus polimerų ir apsaugant nuo ugnies prie akumuliatoriaus srovės rinktuvų, jis tampa lengvesnis, saugesnis ir maždaug 20 % efektyvesnis.

 

Stenfordo universiteto ir Energetikos departamento SLAC nacionalinės greitintuvo laboratorijos mokslininkai, siekdami padaryti ličio jonų baterijas lengvesnius, saugesnius ir efektyvesnius, iš naujo suprojektavo vieną iš sunkiausių akumuliatoriaus komponentų – vario lakštus arba aliuminio folija, vadinama srovės kolektoriais – todėl jie sveria 80 % mažiau ir iš karto užgesina bet kokį įsiliepsnojantį gaisrą.

 

Pasak mokslininkų, ši technologija galėtų padėti pasiekti du pagrindinius baterijų tyrimo tikslus: išplėsti elektrinių transporto priemonių važiavimo diapazoną ir sumažinti nešiojamųjų kompiuterių, mobiliųjų telefonų ir kitų įrenginių pavojų. Tai ypač svarbu, kai baterijos įkraunamos itin greitai, o tai sukelia daugiau akumuliatoriaus pažeidimų, dėl kurių gali kilti gaisras.

Mokslininkų komanda aprašė savo darbą Nature Energy 2020 m. spalio 15 d.

 

„Dabartinis kolektorius visada buvo laikomas nenaudingu svoriu ir iki šiol nebuvo sėkmingai išnaudotas baterijos našumui padidinti“, – sakė Yi Cui, SLAC ir Stanfordo profesorius bei Stanfordo medžiagų instituto tyrėjas. ir Energetikos mokslai (SIMES), kurie vadovavo tyrimui.

 

âTačiau mūsų tyrime 80 % lengvesnis kolektorius padidino ličio jonų baterijų energijos tankį, â kiek energijos jie gali sukaupti esant tam tikram svoriui â 16–26 %. Tai didelis šuolis, palyginti su pastaraisiais metais pasiektu vidutiniu 3 % padidėjimu.â

Palyginti su dabartiniais ličio jonų akumuliatorių kolektoriais, naujoji Stanfordo ir SLAC mokslininkų sukurta versija daro baterijas lengvesnes, efektyvesnes ir saugesnes. Taip pat būtų galima sumažinti išlaidas, pakeitus varį pigesniu polimeru ir sumažinus baterijų transportavimo perdirbti išlaidas. Autorius: Greg Stewart / SLAC nacionalinė greitintuvo laboratorija

 

Desperatiškai siekia numesti svorio

 

Nesvarbu, ar jie yra cilindrų ar maišelių pavidalu, ličio jonų baterijos turi du srovės kolektorius, po vieną kiekvienam elektrodui. Jie paskirsto srovę, patenkančią į elektrodą arba iš jo, ir sudaro nuo 15% iki 50% kai kurių didelės galios ar itin plonų baterijų svorio. Akumuliatoriaus svorio skutimas yra pageidautinas pats savaime, leidžiantis naudoti lengvesnius įrenginius ir sumažinti elektra varomų transporto priemonių svorį; Sukaupus daugiau energijos vienam svoriui, prietaisai ir elektriniai automobiliai gali ilgiau veikti tarp įkrovimų.

 

Cui sakė, kad baterijų svorio ir degumo mažinimas taip pat gali turėti didelės įtakos perdirbimui, nes perdirbtų baterijų transportavimas bus pigesnis.

 

Akumuliatorių pramonės mokslininkai bandė sumažinti srovės kolektorių svorį, padarydami juos plonesnius ar poringesnius, tačiau šie bandymai turėjo nepageidaujamų šalutinių poveikių, pvz., baterijos tapo trapesnės ar chemiškai nestabilesnės arba jiems reikia daugiau elektrolitų, o tai padidina išlaidas. , sakė Yusheng Ye, Cui laboratorijos doktorantas, atlikęs eksperimentus su kviestine mokslininke Lien-Yang Chou.

 

Kalbant apie saugą, jis sakė: „Žmonės taip pat bandė į akumuliatoriaus elektrolitą, kuris yra degioji dalis, dėti antipireno, tačiau galite pridėti tik tiek, kad jis taptų klampus ir nebelaidus jonams. ½

Polimerinės folijos sumuštinio projektavimas

 

Sugalvoję problemą, Cui, Ye ir magistrantas Yayuan Liu sukūrė eksperimentus, skirtus srovės kolektorių gamybai ir bandymams, kurių pagrindą sudaro lengvas polimeras, vadinamas poliimidu, kuris atsparus ugniai ir atlaiko aukštą temperatūrą, kurią sukelia greitas akumuliatoriaus įkrovimas. Ugnį stabdantis trifenilfosfatas arba TPP buvo įdėtas į polimerą, kuris po to abu paviršiai buvo padengti itin plonu vario sluoksniu. Varis ne tik atliktų įprastą srovės paskirstymo darbą, bet ir apsaugotų polimerą bei jo antipireną.

 

Tie pakeitimai sumažino srovės kolektoriaus svorį 80 %, palyginti su dabartinėmis versijomis, sakė Ye, o tai reiškia, kad įvairių tipų baterijose energijos tankis padidėja 16–26 %, o srovę jis praleidžia taip pat gerai, kaip ir įprastas. kolektoriai be degradacijos.

 

Paveikti atvira žiebtuvėlio liepsna, maišelių baterijos, pagamintos naudojant šiuolaikinius komercinius srovės kolektorius, užsiliepsnojo ir smarkiai degė, kol sudegė visas elektrolitas, sakė Ye. Tačiau baterijose su naujais antipirenais kolektoriais ugnis taip ir neužgeso, sukeldama labai silpną liepsną, kuri per kelias sekundes užgesdavo ir daugiau neįsiliepsnojo net tada, kai mokslininkai bandė ją vėl uždegti.

 

Cui teigimu, vienas iš didžiausių šio požiūrio privalumų yra tas, kad naujasis kolektorius turėtų būti lengvai gaminamas ir pigesnis, nes dalį vario jis pakeičia nebrangiu polimeru. Taigi, jo padidinimas komercinei gamybai, jo teigimu, „turėtų būti labai įmanoma“. Tyrėjai pateikė paraišką patentui gauti per Stanfordą, o Cui teigė, kad susisieks su baterijų gamintojais, kad ištirtų galimybes.

 

Nuoroda: „Ultralengvi ir gesinimo srovės rinktuvai, skirti didelės energijos ir didelio saugumo ličio jonų baterijoms“, autoriai Yusheng Ye, Lien-Yang Chou, Yayuan Liu, Hansen Wang, Hiang Kwee Lee, Wenxiao Huang, Jiayu Wan , Kai Liu, Guangmin Zhou, Yufei Yang, Ankun Yang, Xin Xiao, Xin Gao, David Thomas Boyle, Hao Chen, Wenbo Zhang, Sang Cheol Kim ir Yi Cui, 2020 m. spalio 15 d., Gamtos energija.
DOI: 10.1038/s41560-020-00702-8

Šį darbą palaikė DOE Energijos efektyvumo ir atsinaujinančios energijos biuras, Transporto priemonių technologijų biuras pagal programą „Extreme Fast Charge Cell Evaluation of Lithium-ion Batteries“ (XCEL).