Pramonės naujienos

Sukurta naujo tipo baterija, galinti įkrauti 10 kartų greičiau nei ličio jonų baterijos

2021-06-16
TEMOS:
Baterijų technologija, chemijos inžinerija, energija, polimerai, populiarios ličio jonų baterijos
Iki ST. PETERSBURGO VALSTYBĖS UNIVERSITETAS 2021 m. Balandžio 9 d



Simboliškai pateikiama naujojo polimero cheminė formulė. Kreditas: Anatolijus A. Vereščaginas.

Be to, jis yra saugesnis galimo gaisro pavojaus požiūriu ir turi mažesnį poveikį aplinkai.

Sunku įsivaizduoti savo kasdienį gyvenimą be ličio jonų baterijų. Jie dominuoja nešiojamųjų elektroninių prietaisų mažo formato akumuliatorių rinkoje, taip pat dažniausiai naudojami elektromobiliuose. Tuo pačiu metu ličio jonų akumuliatoriai turi daug rimtų problemų, įskaitant: galimą gaisro pavojų ir veikimo praradimą esant žemai temperatūrai; taip pat didelį poveikį aplinkai, kai išmetamos baterijos.

Pasak mokslininkų grupės vadovo, Sankt Peterburgo universiteto Elektrochemijos katedros profesoriaus Olego Levino, chemikai tyrinėjo redokso veikiančius nitroksilo turinčius polimerus kaip elektrocheminės energijos kaupimo medžiagas. Šiems polimerams būdingas didelis energijos tankis ir greitas įkrovimo bei iškrovimo greitis dėl greitos redokso kinetikos. Vienas iš iššūkių įgyvendinant tokią technologiją yra nepakankamas elektros laidumas. Tai trukdo įkrauti krūvį net naudojant labai laidžius priedus, tokius kaip anglis.

Ieškodami sprendimų šiai problemai įveikti, Sankt Peterburgo universiteto mokslininkai susintetino polimerą, pagrįstą nikelio saleno kompleksu (NiSalen). Šio metalopolimero molekulės veikia kaip molekulinė viela, prie kurios pritvirtinti daug energijos reikalaujantys nitroksilo pakabučiai. Medžiagos molekulinė struktūra leidžia pasiekti didelę talpą plačiame temperatūrų diapazone.



Sankt Peterburgo universiteto Elektrochemijos katedros profesorius Olegas Levinas. Kreditas: SPbU.

„Šios medžiagos koncepciją sugalvojome 2016 m. Tuo metu pradėjome kurti pagrindinį projektą„ Elektrodų medžiagos ličio jonų baterijoms, pagamintoms iš organinių metalų polimerų “. Tai buvo paremta Rusijos mokslo fondo dotacija. Studijuodami šios klasės junginių krūvio transportavimo mechanizmą, mes nustatėme, kad yra dvi pagrindinės vystymosi kryptys. Pirma, šie junginiai gali būti naudojami kaip apsauginis sluoksnis, padengiantis pagrindinį akumuliatoriaus laidą, kuris kitu atveju būtų pagamintas iš tradicinių ličio jonų akumuliatorių medžiagų. Antra, jie gali būti naudojami kaip aktyvus elektrocheminių energijos kaupimo medžiagų komponentas, - aiškina Olegas Levinas.

Polimerui sukurti prireikė daugiau nei trejų metų. Pirmaisiais metais mokslininkai išbandė naujos medžiagos koncepciją: jie sujungė atskirus komponentus, kad imituotų elektrai laidų stuburą ir redokso veikiančius pakabukus. Būtina įsitikinti, kad visos konstrukcijos dalys veikia kartu ir sustiprina viena kitą. Kitas etapas buvo cheminė junginio sintezė. Tai buvo sudėtingiausia projekto dalis. Taip yra todėl, kad kai kurios sudedamosios dalys yra labai jautrios ir net menkiausia mokslininko klaida gali sugadinti mėginius.

Iš kelių gautų polimerų pavyzdžių tik vienas buvo pakankamai stabilus ir efektyvus. Pagrindinę naujojo junginio grandinę sudaro nikelio ir saleno ligandų kompleksai. Stabilus laisvasis radikalas, galintis greitai oksiduoti ir redukuoti (įkrauti ir išleisti), buvo sujungtas su pagrindine grandine per kovalentines jungtis.

„Baterija, pagaminta naudojant mūsų polimerą, įkraunama per kelias sekundes-maždaug dešimt kartų greičiau nei tradicinė ličio jonų baterija. Tai jau buvo įrodyta atliekant daugybę eksperimentų. Tačiau šiuo metu jis vis dar atsilieka pagal talpą-30–40% mažesnis nei ličio jonų baterijų. Šiuo metu dirbame, kad pagerintume šį rodiklį, išlaikydami įkrovos išsikrovimo greitį “,-sako Olegas Levinas.

Naujos baterijos katodas buvo pagamintas - teigiamas elektrodas, skirtas naudoti cheminės srovės šaltiniuose. Dabar mums reikia neigiamo elektrodo - anodo. Tiesą sakant, jo nereikia kurti nuo nulio - jį galima pasirinkti iš esamų. Suporuoti kartu jie sudarys sistemą, kuri kai kuriose vietovėse netrukus gali pakeisti ličio jonų baterijas.

â € ˜Nauja baterija gali veikti esant žemai temperatūrai ir bus puiki galimybė greitai įkrauti. Tai saugu naudoti-nėra nieko, kas galėtų kelti degimo pavojų, kitaip nei šiandien plačiai naudojamos kobalto pagrindo baterijos. Jame taip pat yra žymiai mažiau metalų, kurie gali pakenkti aplinkai. Nikelio mūsų polimere yra nedaug, tačiau jo yra daug mažiau nei ličio jonų baterijose “,-sako Olegas Levinas.

Nuoroda: „Greiti ir talpūs: A [Ni (Salen)] -„ TEMPO Redox “ - laidus polimeras organinėms baterijoms“, autorius Anatolijus A. Vereščaginas, daktaras Daniilis A. Lukjanovas, Ilia R. Kulikovas, Dr Naitik A. Panjwani, dr. Elena A. Alekseeva, prof. Jan Behrends ir prof. Olegas V. Levinas, 2020 m. Lapkričio 17 d.
DOI: 10.1002/batt.202000220