Pramonės naujienos

Tamprūs plastikiniai elektrolitai gali sukurti naują ličio jonų akumuliatorių

2022-04-24

Joshas Brownas, Džordžijos technologijos institutas



Pastaraisiais metais augantis ličio jonų baterijų populiarumas apsunkino kobalto ir nikelio – dviejų metalų, neatsiejamų nuo dabartinių baterijų konstrukcijų – pasiūlą, o kainos kilo.

Siekdami sukurti alternatyvius ličio baterijų dizainus, mažiau pasikliaujančius tais retais metalais, Džordžijos technologijos instituto mokslininkai sukūrė daug žadančią naują katodo ir elektrolitų sistemą, kuri brangius metalus ir tradicinį skystą elektrolitą pakeičia pigesniais pereinamojo metalo fluoridais. ir kietas polimerinis elektrolitas.

„Iš pereinamųjų metalų fluoridų pagaminti elektrodai jau seniai rodė stabilumo problemas ir greitą gedimą, todėl labai skeptiškai žiūrima į jų gebėjimą naudoti naujos kartos baterijose“, – sakė Georgia Tech Medžiagų mokslo ir inžinerijos mokyklos profesorius Glebas Yushinas. „Tačiau mes parodėme, kad naudojant su kietu polimeriniu elektrolitu metalo fluoridai pasižymi nepaprastu stabilumu – net esant aukštesnei temperatūrai – dėl to ilgainiui gali būti saugesnės, lengvesnės ir pigesnės ličio jonų baterijos.

Įprastoje ličio jonų baterijoje energija išsiskiria ličio jonams pernešant tarp dviejų elektrodų – anodo ir katodo, o katodą paprastai sudaro ličio ir pereinamųjų metalų, tokių kaip kobaltas, nikelis ir manganas. Jonai teka tarp elektrodų per skystą elektrolitą.

Tyrimui, kuris buvo paskelbtas rugsėjo 9 d. žurnale Nature Materials ir remiamas Armijos tyrimų biuro, mokslininkų grupė pagamino naujo tipo katodą iš geležies fluorido aktyvios medžiagos ir kieto polimero elektrolito nanokompozito. Geležies fluoridai turi daugiau nei dvigubai didesnę ličio talpą nei tradiciniai kobalto arba nikelio katodai. Be to, geležis yra 300 kartų pigesnė už kobaltą ir 150 kartų pigesnė už nikelį.

Norėdami pagaminti tokį katodą, mokslininkai sukūrė kieto polimero elektrolito infiltravimo procesą į surenkamą geležies fluorido elektrodą. Tada jie karštai presavo visą struktūrą, kad padidintų tankį ir sumažintų tuštumas.


Dvi pagrindinės polimerinio elektrolito savybės yra jo gebėjimas lankstyti ir prisitaikyti prie geležies fluorido brinkimo važiuojant dviračiu ir gebėjimas sudaryti labai stabilią ir lanksčią tarpfazę su geležies fluoridu. Tradiciškai šis patinimas ir didžiulės pašalinės reakcijos buvo pagrindinės problemos naudojant geležies fluoridą ankstesnėse baterijų konstrukcijose.

"Iš geležies fluorido pagaminti katodai turi didžiulį potencialą dėl savo didelės talpos, mažų medžiagų sąnaudų ir labai plataus geležies prieinamumo", - sakė Yushin. "Tačiau tūrio pokyčiai važiuojant dviračiu, taip pat parazitinės pašalinės reakcijos su skystais elektrolitais ir kitos skilimo problemos anksčiau ribojo jų naudojimą. Naudojant kietą elektrolitą, turintį elastingų savybių, išsprendžiama daugelis šių problemų."

Tada tyrėjai išbandė keletą naujų kietojo kūno baterijų variantų, kad ištirtų jų veikimą per daugiau nei 300 įkrovimo ir iškrovimo ciklų esant aukštesnei 122 laipsnių Farenheito temperatūrai, ir pažymėjo, kad jie pralenkė ankstesnius metalo fluorido dizainus, net kai jie buvo laikomi vėsiai. kambario temperatūros.

Tyrėjai nustatė, kad raktas į patobulintą akumuliatoriaus veikimą buvo kietas polimerinis elektrolitas. Ankstesniuose bandymuose naudoti metalų fluoridus buvo manoma, kad metalo jonai migruoja į katodo paviršių ir galiausiai ištirpo skystame elektrolite, sukeldami talpos praradimą, ypač esant aukštesnei temperatūrai. Be to, metalų fluoridai katalizuoja didžiulį skystų elektrolitų skilimą, kai ląstelės veikė aukštesnėje nei 100 laipsnių pagal Farenheitą. Tačiau tyrėjai rašė, kad kietojo elektrolito ir katodo jungtyje toks tirpimas nevyksta, o kietasis elektrolitas išlieka nepaprastai stabilus, užkertant kelią tokiam skilimui.

„Mūsų naudojamas polimerinis elektrolitas buvo labai įprastas, tačiau daugelis kitų kietų elektrolitų ir kitų baterijų ar elektrodų architektūrų, pvz., šerdies ir apvalkalo dalelių morfologijos, turėtų taip pat dramatiškai sušvelninti arba net visiškai užkirsti kelią parazitinėms šalutinėms reakcijoms ir pasiekti stabilų veikimą. ypatybes“, – sakė Jušino laboratorijos mokslininkas ir rankraščio bendraautoris Kostiantynas Turcheniukas.

Ateityje mokslininkai siekia sukurti naujus ir patobulintus kietus elektrolitus, kad būtų galima greitai įkrauti, taip pat sujungti kietus ir skystus elektrolitus naujose konstrukcijose, kurios visiškai suderinamos su įprastomis elementų gamybos technologijomis, naudojamomis didelėse akumuliatorių gamyklose.