Pramonės naujienos

Naujas dizainas gali užtikrinti ilgesnes, galingesnes ličio jonų baterijas

2021-06-16
TEMOS:
Baterija, technologija, energija, ličio jonas, MIT
DAVIDAS L. CHANDLERIS, MASSACHUSETTS TECHNOLOGY INSTITUTE 2021 m. Kovo 26 d.



Naudojant naują elektrolitą, galima pasiekti pažangių metalinių elektrodų ir didesnės įtampos, padidinti pajėgumus ir ciklo trukmę.

Ličio jonų akumuliatoriai leido padaryti lengvus elektroninius prietaisus, kurių perkeliamumą dabar laikome savaime suprantamu dalyku, taip pat sparčiai plėsti elektromobilių gamybą. Tačiau mokslininkai visame pasaulyje ir toliau stumia ribas, kad pasiektų vis didesnį energijos tankį-energijos kiekį, kuris gali būti saugomas tam tikroje medžiagos masėje-, kad pagerintų esamų įrenginių našumą ir galbūt suteiktų naujų galimybių tokias programas kaip ilgo nuotolio dronai ir robotai.

Vienas iš perspektyvių metodų yra metalinių elektrodų naudojimas vietoje įprasto grafito, kurio katode yra didesnė įkrovimo įtampa. Tačiau šioms pastangoms trukdė įvairios nepageidaujamos cheminės reakcijos, vykstančios su elektrodus skiriančiu elektrolitu. Dabar MIT ir kitų šalių mokslininkų komanda rado naują elektrolitą, kuris įveikia šias problemas ir gali žymiai padidinti naujos kartos akumuliatorių galios svorį, neprarandant ciklo trukmės.

Apie tyrimą pranešta žurnale „Nature Energy“, MIT profesorių Ju Li, Yang Shao-Horn ir Jeremiah Johnson dokumente; postdoc Weijiang Xue; ir 19 kitų - MIT, dviejose nacionalinėse laboratorijose ir kitur. Mokslininkai teigia, kad ši išvada gali padėti ličio jonų baterijoms, kurios paprastai gali sukaupti apie 260 vatvalandžių kilogramui, išsaugoti apie 420 vatvalandžių vienam kilogramui. Tai reikštų ilgesnius elektromobilių diapazonus ir ilgalaikius nešiojamųjų įrenginių pakeitimus.



Rentgeno tomografijos vaizdai, padaryti Brookhaveno nacionalinėje laboratorijoje, rodo dalelių įtrūkimus viename akumuliatoriaus elemento, kuriame buvo naudojamas įprastas elektrolitas, elektrode (kaip matyti kairėje). Mokslininkai nustatė, kad naudojant naują elektrolitą išvengta daugumos šio įtrūkimo (dešinėje). Kreditas: tyrėjų sutikimas

Pagrindinės šio elektrolito žaliavos yra nebrangios (nors vienas iš tarpinių junginių vis dar yra brangus, nes naudojamas ribotai), o jo pagaminimo procesas yra paprastas. Taigi, ši pažanga gali būti įgyvendinta palyginti greitai, teigia tyrėjai.

Pats elektrolitas nėra naujas, aiškina chemijos profesorius Johnsonas. Prieš keletą metų ją sukūrė kai kurie šios tyrimų grupės nariai, tačiau skirtingai. Tai buvo dalis pastangų sukurti ličio-oro baterijas, kurios laikomos galutiniu ilgalaikiu sprendimu, kaip maksimaliai padidinti baterijų energijos tankį. Tačiau kuriant tokias baterijas vis dar yra daug kliūčių, ir iki šios technologijos dar gali prireikti metų. Tuo tarpu panaudojus tą elektrolitą ličio jonų baterijoms su metaliniais elektrodais, tai yra kažkas, ką galima pasiekti daug greičiau.

Naujas šios elektrodo medžiagos pritaikymas buvo rastas „šiek tiek atsitiktinai“, kai prieš keletą metų Shao-Hornas, Johnsonas ir kiti jį iš pradžių sukūrė bendroje įmonėje, skirtoje ličio ir oro baterijų kūrimui.

„Vis dar nėra nieko, kas leistų gerai įkrauti ličio oro akumuliatorių“,-sako Johnsonas. Tačiau „mes sukūrėme šias organines molekules, kurios, tikėjomės, suteiks stabilumo, palyginti su naudojamais skystais elektrolitais“. efektai. Tada, dirbdamas su Li grupe, postdoc Xue nusprendė išbandyti šią medžiagą su daugiau standartinių katodų.

Akumuliatoriaus elektrodo tipas, kurį jie dabar naudojo su šiuo elektrolitu, nikelio oksidu, kuriame yra šiek tiek kobalto ir mangano, „yra šiandienos elektrinių transporto priemonių pramonės arklys“, - sako Li, kuris yra branduolinių mokslų profesorius. ir inžinerijos bei medžiagų mokslas ir inžinerija.
 
Kadangi elektrodo medžiaga plečiasi ir susitraukia anizotropiškai, kai ji įkraunama ir iškraunama, tai gali sukelti įtrūkimus ir veikimo sutrikimus, kai naudojama su įprastais elektrolitais. Tačiau atlikdami eksperimentus, bendradarbiaudami su Brookhaveno nacionaline laboratorija, tyrėjai nustatė, kad naudojant naują elektrolitą drastiškai sumažėjo įtrūkimų ir korozijos įtrūkimai.

Problema buvo ta, kad metalo atomai lydinyje buvo linkę ištirpti į skystą elektrolitą, prarasti masę ir sukelti metalo įtrūkimus. Priešingai, naujas elektrolitas yra labai atsparus tokiam tirpimui. Žvelgdamas į Brookhaveno bandymų duomenis, Li sako, kad buvo „šokiruojantis matyti, kad jei tik pakeisite elektrolitą, visi šie įtrūkimai išnyks.“ Jie nustatė, kad elektrolito medžiagos morfologija yra daug tvirtesnis, o pereinamieji metalai „tiesiog neturi tiek tirpumo“ šiuose naujuose elektrolituose.

Jis sako, kad tai buvo stebėtinas derinys, nes medžiaga vis dar lengvai leidžia ličio jonams praeiti per „esminį mechanizmą, kuriuo baterijos įkraunamos ir iškraunamos“, tuo pačiu blokuojant kitų katijonų, žinomų kaip pereinamieji metalai, patekimą. Nepageidaujamų junginių kaupimasis ant elektrodo paviršiaus po daugelio įkrovimo-iškrovimo ciklų sumažėjo daugiau nei dešimt kartų, palyginti su standartiniu elektrolitu.

„Elektrolitas yra chemiškai atsparus didelės energijos nikelio turinčių medžiagų oksidacijai, neleidžia dalelėms lūžti ir stabilizuoja teigiamą elektrodą važiuojant dviračiu“,-sako mechanikos inžinerijos ir medžiagų mokslo bei inžinerijos profesorius Shao-Hornas. „Elektrolitas taip pat leidžia stabiliai ir grįžtamai nuimti ir padengti ličio metalą, o tai yra svarbus žingsnis siekiant įkrauti įkraunamas ličio metalo baterijas, kurių energija du kartus didesnė už moderniausių ličio jonų baterijų. Ši išvada paskatins tolesnę elektrolitų paiešką ir skystų elektrolitų, skirtų ličio-metalo akumuliatoriams, dizainą, konkuruojantį su kietojo kūno elektrolitais. “

Kitas žingsnis - išplėsti gamybą, kad ji būtų prieinama. „Mes padarome tai labai paprasta reakcija iš lengvai prieinamų komercinių pradinių medžiagų“, - sako Johnsonas. Šiuo metu pirmtakas, naudojamas elektrolitui sintezuoti, yra brangus, tačiau jis sako: „Manau, jei galime parodyti pasauliui, kad tai puikus elektrolitas plataus vartojimo elektronikai, motyvacija toliau didinti padės kaina sumažėjo.â €

Kadangi tai iš esmės yra esamo elektrolito „lašas“ ir jam nereikia pertvarkyti visos akumuliatorių sistemos, Li sako, kad tai būtų galima greitai įgyvendinti ir būtų galima parduoti per porą metų. „Nėra brangių elementų, tai tik anglis ir fluoras. Taigi tai neapsiriboja ištekliais, tai tik procesas, - sako jis.

Nuoroda: „Itin aukštos įtampos daug Ni sluoksniuoti katodai praktiškose Li metalo baterijose, įjungtose elektrolito sulfonamido pagrindu“, pateikė Weijiang Xue, Mingjun Huang, Yutao Li, Yun Guang Zhu, Rui Gao, Xianghui Xiao, Wenxu Zhang, Sipei Li, Guiyin Xu, Yang Yu, Peng Li, Jeffrey Lopez, Daiwei Yu, Yanhao Dong, Weiwei Fan, Zhe Shi, Rui Xiong, Cheng-Jun Sun, Inhui Hwang, Wah-Keat Lee, Yang Shao-Horn, Jeremiah A. Johnson ir Ju Li, Gamtos energija.
DOI: 10.1038/s41560-021-00792-y

Tyrimą rėmė JAV energetikos departamentas ir Nacionalinis mokslo fondas, taip pat buvo naudojamos Brookhaveno nacionalinės laboratorijos ir Argonne nacionalinės laboratorijos patalpos.