Pramonės naujienos

Nauja baterija gali įveikti pagrindinius ličio ir oro baterijų trūkumus

2021-06-16
TEMOS:
Baterijų technologija, medžiagų mokslas, nanomokslas, nanotechnologijos, branduolinė, populiari
DAVID L. CHANDLER, MIT NEWS, 2016 M. liepos 26 d



Naujoje baterijų katodų koncepcijoje nanometro masto dalelės, pagamintos iš ličio ir deguonies junginių (pavaizduotos raudonai ir baltai), yra įterptos į kempinę primenančią (geltoną) kobalto oksido grotelę, todėl jos yra stabilios.

Inžinieriai iš MIT siūlo naują ličio deguonies akumuliatorių medžiagą supakuoti į baterijas, kurios yra labai panašios į įprastas sandarias baterijas, tačiau suteikia daug daugiau energijos jų svoriui.

Ličio oras akumuliatoriai laikomi labai perspektyviomis elektromobilių ir nešiojamųjų elektroninių prietaisų technologijomis, nes jie gali suteikti didelę energijos galią, proporcingą jų svoriui. Tačiau tokios baterijos turi gana rimtų trūkumų: jos sunaudoja daug įpurškiamos energijos kaip šilumą ir palyginti greitai suyra. Jiems taip pat reikalingi brangūs papildomi komponentai deguonies dujoms įpumpuoti ir išstumti, atviros ląstelės konfigūracijoje, kuri labai skiriasi nuo įprastų sandarių baterijų.

Tačiau naujas akumuliatoriaus chemijos variantas, kurį būtų galima naudoti įprastoje, visiškai sandarioje baterijoje, žada panašius teorinius rezultatus kaip ličio ir oro baterijos, tuo pačiu pašalindamas visus šiuos trūkumus.

Naujoji baterijų koncepcija, vadinama nanolitijos katodo baterija, yra aprašyta žurnale „Nature Energy“ MIT „Battelle Energy Alliance“ branduolinio mokslo ir inžinerijos profesoriaus Ju Li pranešime. postdoc Zhi Zhu; ir dar penki MIT, Argonne nacionalinė laboratorija ir Pekino universitetas Kinijoje.

Li paaiškino, kad vienas iš ličio oro akumuliatorių trūkumų yra įtampos, susijusios su baterijų įkrovimu ir iškrovimu, neatitikimas. Baterijų išėjimo įtampa yra daugiau nei 1,2 volto mažesnė už jų įkrovimui naudojamą įtampą, o tai reiškia didelius energijos nuostolius, atsirandančius per kiekvieną įkrovimo ciklą. „Įkrovimo metu švaistote 30 procentų elektros energijos kaip šilumą. „Iš tikrųjų jis gali sudegti, jei jį įkraunate per greitai“, - sako jis.

Išlikti tvirtai

Įprastos ličio-oro baterijos iš išorinio oro įsiurbia deguonį, kad iškrovimo ciklo metu sukeltų cheminę reakciją su akumuliatoriaus ličiu, o šis deguonis vėl išleidžiamas į atmosferą atvirkštinės reakcijos metu įkrovimo ciklo metu.

Naujojo varianto metu tokios pačios elektrocheminės reakcijos vyksta tarp ličio ir deguonies įkrovimo ir iškrovimo metu, tačiau jos vyksta niekada neleidžiant deguoniui grįžti į dujinę formą. Vietoj to, deguonis lieka kietoje medžiagoje ir tiesiogiai transformuojasi tarp trijų redokso būsenų, o yra susietas trijų skirtingų kietų cheminių junginių - Li2O, Li2O2 ir LiO2 - pavidalu, kurie sumaišomi stiklo pavidalu. Tai sumažina įtampos nuostolius penkis kartus - nuo 1,2 volto iki 0,24 volto, todėl tik 8 procentai elektros energijos paverčiama šiluma. „Tai reiškia, kad automobiliai greičiau įkraunami, nes šilumos pašalinimas iš akumuliatoriaus nekelia jokių rūpesčių dėl saugumo, o taip pat ir energijos vartojimo efektyvumas“, - sako Li.

Šis metodas padeda įveikti kitą ličio oro akumuliatorių problemą: kadangi cheminė reakcija, susijusi su įkrovimu ir iškrovimu, paverčia deguonį tarp dujinių ir kietų formų, medžiaga patiria didžiulius tūrio pokyčius, kurie gali sutrikdyti elektros laidumo kelius konstrukcijoje ir labai apriboti jo tarnavimo laiką .

Naujos formuluotės paslaptis yra mažų dalelių sukūrimas nanometrų skalėje (milijardinės metro dalys), kuriose yra ir ličio, ir deguonies stiklo pavidalu, sandariai uždarytas kobalto oksido matricoje. Mokslininkai šias daleles vadina nanolitija. Šioje formoje perėjimai tarp LiO2, Li2O2 ir Li2O gali vykti visiškai kietoje medžiagoje, sako jis.

Nanolitijos dalelės paprastai būtų labai nestabilios, todėl tyrėjai jas įterpė į kobalto oksido matricą-į kempinę panašią medžiagą, kurios poros buvo vos kelių nanometrų skersmens. Matrica stabilizuoja daleles ir taip pat veikia kaip jų transformacijų katalizatorius.

Įprastos ličio oro baterijos, Li paaiškina, yra „iš tikrųjų sausos ličio deguonies baterijos, nes jos tikrai negali išlaikyti drėgmės ar anglies dioksido“, todėl jas reikia kruopščiai nušveisti iš įeinančio oro, kuris tiekia baterijos. „Norint pašalinti anglies dioksidą ir vandenį, jums reikia didelių pagalbinių sistemų, ir tai padaryti labai sunku.“ Tačiau naujoji baterija, kuriai niekada nereikia pritraukti išorinio oro, apeina šią problemą.

Jokio perkrovimo

Komanda teigia, kad naujoji baterija taip pat yra savaime apsaugota nuo per didelio įkrovimo, nes šiuo atveju cheminė reakcija natūraliai savaime ribojasi, kai perkraunama, reakcija pasikeičia į kitą formą, kuri neleidžia tolesnei veiklai. „Naudojant įprastą akumuliatorių, jei jį perkraunate, jis gali padaryti negrįžtamų konstrukcijos pažeidimų ar net sprogti“, - sako Li. Tačiau naudojant nanolitinę bateriją, „mes perkrauname akumuliatorių 15 dienų iki šimto kartų didesnės talpos, tačiau jokios žalos nebuvo“.

Atliekant dviračių bandymus, naujos baterijos laboratorinė versija buvo atlikta per 120 įkrovimo-iškrovimo ciklų, ir jos talpa sumažėjo mažiau nei 2 procentais, o tai rodo, kad tokių baterijų tarnavimo laikas gali būti ilgas. Kadangi tokios baterijos gali būti montuojamos ir eksploatuojamos taip pat, kaip ir įprastos kietos ličio jonų baterijos, be jokių pagalbinių komponentų, reikalingų ličio oro akumuliatoriui, jas galima lengvai pritaikyti prie esamų įrenginių ar įprastų automobilių, elektronikos, ar net tinklo masto energijos kaupimas.

Kadangi šie „kietojo deguonies“ katodai yra daug lengvesni nei įprasti ličio jonų akumuliatorių katodai, naujoji konstrukcija gali sukaupti net dvigubai daugiau energijos už tam tikrą katodo svorį, teigia komanda. Ir toliau tobulinant dizainą, Li sako, kad naujos baterijos galiausiai gali dvigubai padidinti šią talpą.

Visa tai pasiekiama nepridedant jokių brangių komponentų ar medžiagų, teigia Li. Karbonatas, kurį jie naudoja kaip skystą elektrolitą šioje baterijoje, yra pigiausias elektrolito tipas, sako jis. O kobalto oksido komponentas sveria mažiau nei 50 procentų nanolitinio komponento. Apskritai, naujoji akumuliatorių sistema yra labai keičiama, pigi ir daug saugesnė nei ličio oro baterijos, sako Li.

Komanda tikisi maždaug per metus pereiti nuo šio laboratorinio masto koncepcijos įrodymo prie praktinio prototipo.

„Tai yra pagrindinis proveržis, galintis pakeisti deguonies turinčių baterijų paradigmą“,-sako Xiulei Ji, Oregono valstijos universiteto chemijos profesorius, kuris nedalyvavo šiame darbe. „Šioje sistemoje komercinis karbonato pagrindu pagamintas elektrolitas labai gerai veikia su solvatuotais superoksido perpylimais, o tai yra gana įspūdinga ir gali būti susiję su dujinio O2 trūkumu šioje uždaroje sistemoje. Visos aktyvios katodo masės važiuojant dviračiu yra tvirtos, o tai reiškia ne tik didelį energijos tankį, bet ir suderinamumą su dabartine baterijų gamybos infrastruktūra. “

Tyrimo komandoje dalyvavo MIT tyrinėtojai Akihiro Kushima ir Zongyou Yin; Lu Qi iš Pekino universiteto; ir Khalil Amine bei Jun Lu iš Argonne nacionalinės laboratorijos Ilinojaus valstijoje. Darbą rėmė Nacionalinis mokslo fondas ir JAV energetikos departamentas.
Leidinys: Zhi Zhu ir kt., „Ličio jonų baterijų anijonų redokso nanolitijos katodai“, „Nature Energy 1“, straipsnio numeris: 16111 (2016); doi: 10.1038/nenergy.2016.111