Pramonės naujienos

„Visos kietojo kūno baterijos užtikrina geresnį našumą ir didesnį saugumą

2021-06-16
TEMOS:
Baterijų technologija, medžiagų mokslas, Ženevos universitetas
GENEVOS UNIVERSITETAS, 2017 m. Lapkričio 24 d



Kietos natrio baterijos sudėtis. © Empa

Telefonų, nešiojamųjų kompiuterių, elektromobilių - baterijų yra visur. Siekiant patenkinti dabartinių vartotojų lūkesčius, šios baterijos tampa vis lengvesnės, galingesnės ir sukurtos ilgiau tarnauti. Šiuo metu svarbiausia šių technologijų technologija yra ličio jonų akumuliatorių technologija, tačiau ši technologija yra brangi ir joje yra degaus skysčio, kuris gali kelti pavojų saugumui, kai piktnaudžiaujama baterija. Siekdami patenkinti augančią besivystančių rinkų (pvz., Elektromobilių ir atsinaujinančios energijos kaupimo) paklausą, „Empa“, Šveicarijos federalinių medžiagų mokslo ir technologijų laboratorijų ir Ženevos universiteto (UNIGE), Šveicarija, mokslininkai sukūrė naują akumuliatoriaus prototipas: žinomas kaip „kietojo kūno“, ši baterija gali išsaugoti daugiau energijos, išlaikydama aukštą saugos ir patikimumo lygį. Be to, baterija yra pagaminta iš natrio - pigios ličio alternatyvos. Plačiau apie tyrimą skaitykite žurnale „Energy and Environmental Science“.

Kad baterija veiktų, ją turi sudaryti trys pagrindiniai komponentai: anodas (neigiamas polius), katodas (teigiamas polius) ir elektrolitas. Dauguma mūsų elektroninėje įrangoje naudojamų baterijų yra pagamintos iš ličio jonų. Kai baterija įkraunama, ličio jonai palieka katodą ir pereina prie anodo. Kad ličio dendritai nesusidarytų-tam tikras mikroskopinis stalagmitas, galintis sukelti trumpąjį jungimą akumuliatoriuje, kuris gali sukelti gaisrą,-komerciniuose akumuliatoriuose esantis anodas pagamintas iš grafito, o ne metalinio ličio, nors šis itin lengvas metalas padidinti energijos kiekį, kurį galima sukaupti.

„Empa“ ir „UNIGE“ tyrinėtojai sutelkė dėmesį į „kieto“ akumuliatoriaus pranašumus, kad galėtų susidoroti su padidėjusia paklausa besivystančiose rinkose ir kad baterijos veiktų dar geriau: greičiau įkraunamas, padidėja saugojimo talpa ir padidėja saugumas. Jų akumuliatorius naudoja kietą medžiagą, o ne skystą elektrolitą, kuris leidžia naudoti metalinį anodą, užkertant kelią dendritų susidarymui, o tai leidžia saugoti daugiau energijos, tuo pačiu garantuojant saugumą.

Nedegi kieta natrio baterija

„Bet mes vis tiek turėjome rasti tinkamą kietą jonų laidininką, kuris, be to, netoksiškas, buvo chemiškai ir termiškai stabilus ir kuris leistų natriui lengvai judėti tarp anodo ir katodo“,-aiškina jis. Hansas Hagemannas, UNIGE Mokslų fakulteto Fizinės chemijos katedros profesorius. Mokslininkai atrado, kad boro pagrindu pagaminta medžiaga-kloro-boranas-leido natrio jonams laisvai cirkuliuoti. Be to, kadangi uždaromasis boranas yra neorganinis laidininkas, jis pašalina akumuliatoriaus užsidegimo riziką įkraunant. Kitaip tariant, tai medžiaga, turinti daug žadančių savybių.

„Sunkumas buvo užmegzti glaudų kontaktą tarp trijų akumuliatoriaus sluoksnių: anodo, susidedančio iš kieto metalo natrio; katodas, sumaišytas natrio chromo oksidas; ir elektrolitas, uždaromasis boranas,-teigia Léo Duchêne, „Empa“ medžiagų konvertavimo į energiją konversijos laboratorijos tyrinėtojas ir UNIGE Mokslo fakulteto Fizinės chemijos katedros doktorantas. Prieš pridėdami natrio chromo oksido miltelius, tyrėjai ištirpino dalį akumuliatoriaus elektrolito tirpiklyje. Kai tirpiklis išgaravo, jie sudėjo katodo miltelių kompoziciją su elektrolitu ir anodu, suspaudžiant įvairius sluoksnius, kad susidarytų baterija.

Vėliau „Empa“ ir UNIGE tyrėjai išbandė akumuliatorių. „Čia naudojamo elektrolito elektrocheminis stabilumas gali atlaikyti tris voltus, o daugelis anksčiau tirtų kietų elektrolitų yra pažeisti esant vienai įtampai“,-sako „Empa“ tyrėjas ir projekto vadovas Arndtas Remhofas. kurią remia Šveicarijos nacionalinis mokslo fondas (SNSF) ir Šveicarijos šilumos ir elektros energijos kaupimo energetikos tyrimų kompetencijos centras (SCCER-HaE). Mokslininkai taip pat išbandė akumuliatorių per 250 įkrovimo ir iškrovimo ciklų, po kurių 85% energijos talpos vis dar veikė. „Tačiau norint, kad baterija būtų pateikta rinkai, reikia 1200 ciklų“, - sako tyrėjai. „Be to, mes vis dar turime išbandyti akumuliatorių kambario temperatūroje, kad galėtume patvirtinti, ar susidaro dendritai, ir dar labiau padidinti įtampą. Mūsų eksperimentai vis dar vyksta. “

Leidinys: Léo Duchêne ir kt., „Stabili 3 V kietojo kūno natrio jonų baterija, pagrįsta uždaru borato elektrolitu“, „Energy & Environmental Science“, 2017; DOI: 10.1039/C7EE02420G