Pramonės naujienos

Iš naujo sukurti srovės laidininkai padidina ličio jonų baterijų efektyvumą ir saugumą

2021-06-16
TEMOS:
Akumuliatorių technologija, energija, SLAC nacionalinė akceleratoriaus laboratorija, ličio jonų akumuliatorius
„SLAC NACIONAL ACCELERATOR LABORATORY“ 2020 m. Spalio 26 d



Stanfordo ir SLAC mokslininkai pertvarkė srovės laidininkus-plonas metalines folijas, kurios paskirsto srovę į elektrodus ir iš jų, kad ličio jonų baterijos taptų lengvesnės, saugesnės ir efektyvesnės. Jie pakeitė visiškai varinį laidininką, vidurinį, į lengvo polimero sluoksnį, padengtą itin plonu variu (viršuje dešinėje), ir įterpė antipireną į polimero sluoksnį, kad užgesintų liepsnas (apačioje dešinėje). Kreditas: Yusheng Ye/Stanfordo universitetas

Jei į dabartinius akumuliatoriaus kolektorius pridėsite polimerų ir atsparios ugniai, jis bus lengvesnis, saugesnis ir apie 20% efektyvesnis.

Taikydami visiškai naują metodą, kaip ličio jonų baterijas padaryti lengvesnes, saugesnes ir efektyvesnes, Stanfordo universiteto mokslininkai ir Energetikos departamento SLAC nacionalinės pagreičio laboratorijos laboratorija iš naujo sukūrė vieną iš sunkiausių akumuliatoriaus komponentų-vario arba aliuminio folija, žinoma kaip dabartiniai kolektoriai, todėl jie sveria 80% mažiau ir nedelsdami užgesina liepsnojančius gaisrus.

Mokslininkai teigė, kad jei ši technologija bus priimta, ji gali pasiekti du pagrindinius akumuliatorių tyrimų tikslus: išplėsti elektrinių transporto priemonių važiavimo diapazoną ir sumažinti pavojų, kad nešiojamieji kompiuteriai, mobilieji telefonai ir kiti prietaisai užsidegs. Tai ypač svarbu, kai akumuliatoriai įkraunami itin greitai, todėl atsiranda daugiau akumuliatoriaus pažeidimų rūšių, dėl kurių gali kilti gaisras.

Tyrimo grupė aprašė savo darbą „Nature Energy“ 2020 m. Spalio 15 d.

„Dabartinis kolektorius visada buvo laikomas tuščiuoju svoriu ir iki šiol nebuvo sėkmingai išnaudotas siekiant pagerinti akumuliatoriaus našumą“, - sakė Yi Cui, SLAC ir Stanfordo profesorius bei Stanfordo medžiagų instituto tyrėjas. ir energetikos mokslai (SIMES), kurie vadovavo tyrimui.

„Tačiau mūsų tyrime 80% lengvesnis kolektorius padidino ličio jonų akumuliatorių energijos tankį-kiek energijos jie gali sukaupti tam tikrame svoryje“ 16–26%. Tai didelis šuolis, palyginti su vidutiniu 3% padidėjimu, pasiektu pastaraisiais metais



Lyginant su dabartiniais ličio jonų baterijų surinkėjais, nauja versija, sukurta Stanfordo ir SLAC mokslininkų, daro baterijas lengvesnes, efektyvesnes ir saugesnes. Taip pat būtų galima sumažinti išlaidas pakeičiant varį pigesniu polimeru ir sumažinant baterijų transportavimo perdirbti išlaidas. Kreditas: Gregas Stewartas/SLAC nacionalinė akceleratoriaus laboratorija

Beviltiškai siekia numesti svorio

Nesvarbu, ar jie yra cilindrų, ar maišelių pavidalo, ličio jonų baterijos turi du srovės kolektorius, po vieną kiekvienam elektrodui. Jie paskirsto srovę, tekančią į elektrodą arba iš jo, ir sudaro nuo 15% iki 50% kai kurių didelės galios ar ypač plonų baterijų svorio. Skusti akumuliatoriaus svorį savaime yra pageidautina, kad būtų galima naudoti lengvesnius prietaisus ir sumažinti elektromobilių svorį; sukaupus daugiau energijos vienam nurodytam svoriui, tiek prietaisai, tiek elektromobiliai gali ilgiau trukti tarp įkrovimų.

Akumuliatoriaus svorio ir degumo mažinimas taip pat gali turėti didelės įtakos perdirbimui, nes perdirbtų baterijų transportavimas bus pigesnis, sakė Cui.

Akumuliatorių pramonės tyrinėtojai bandė sumažinti srovės kolektorių svorį, padarydami juos plonesnius ar porėtesnius, tačiau šie bandymai turėjo nepageidaujamų šalutinių poveikių, pavyzdžiui, padarė baterijas trapesnes arba chemiškai nestabilias arba reikalavo daugiau elektrolitų, o tai padidina išlaidas “,-sakė Yusheng Ye, Cui laboratorijos podoktorantas, atlikęs eksperimentus su kviestiniu mokslininku Lien-Yang Chou.

Kalbėdamas apie saugumą, jis sakė: „Žmonės taip pat bandė į akumuliatoriaus elektrolitą, kuris yra degi dalis, įpilti antipireno, tačiau galite pridėti tik tiek, kol jis tampa klampus ir nebeplaiko jonų.“ €



Stanfordo ir SLAC atlikto tyrimo metu ličio jonų baterijos, pagamintos naudojant šiandieninius komercinius srovės kolektorius (viršutinėje eilėje), užsidegė, kai buvo veikiamos atviros liepsnos ir smarkiai degė, kol visas elektrolitas sudegė. Baterijos su naujais antipireniniais kolektoriais (apatinėje eilutėje) sukėlė silpną liepsną, kuri užgeso per kelias sekundes ir vėl neužsidegė, net kai mokslininkai bandė jas vėl uždegti. Kreditas: Yusheng Ye/Stanfordo universitetas

Polimerinės folijos sumuštinio projektavimas

Išsprendę problemą, Cui, Ye ir aspirantas Yayuan Liu sukūrė eksperimentus, skirtus gaminti ir išbandyti dabartinius kolektorius, pagamintus iš lengvo polimero, vadinamo poliimidu, kuris yra atsparus ugniai ir atlaiko aukštą temperatūrą, kurią sukelia greitas akumuliatoriaus įkrovimas. Priešgaisrinė medžiaga - trifenilfosfatas arba TPP - buvo įterpta į polimerą, kuris po to ant abiejų paviršių buvo padengtas itin plonu vario sluoksniu. Varis ne tik atliktų įprastą srovės paskirstymo darbą, bet ir apsaugotų polimerą bei jo antipireną.
  
Šie pakeitimai sumažino dabartinio kolektoriaus svorį 80%, palyginti su šiandieninėmis versijomis, sakė jūs, o tai reiškia, kad įvairių tipų baterijų energijos tankis padidėja 16–26%, o jis tiekia srovę taip pat gerai, kaip ir įprasta kolektoriai be degradacijos.

Kai jūs buvote veikiami atviros liepsnos nuo žiebtuvėlio, maišeliai, pagaminti iš šiandieninių komercinių srovės kolektorių, užsidegė ir smarkiai degė, kol visas elektrolitas sudegė. Tačiau baterijose su naujais liepsną slopinančiais kolektoriais ugnis niekada nesileido, sukeldama labai silpną liepsną, kuri užgeso per kelias sekundes ir vėl neužsidegė, net kai mokslininkai bandė ją uždegti.

Vienas didžiausių šio metodo privalumų, sakė Cui, yra tas, kad naujasis kolektorius turėtų būti lengvai pagaminamas ir pigesnis, nes jis dalį vario pakeičia nebrangiu polimeru. Taigi, padidindamas jį komercinei gamybai, jis sakė: „tai turėtų būti labai įmanoma.“ Tyrėjai kreipėsi dėl patento per Stanfordą, o Cui sakė, kad jie kreipsis į baterijų gamintojus, kad ištirtų galimybes.

Nuoroda: „Yusheng Ye, Lien-Yang Chou, Yayuan Liu, Hansen Wang, Hiang Kwee Lee, Wenxiao Huang, Jiayu Wan , Kai Liu, Guangmin Zhou, Yufei Yang, Ankun Yang, Xin Xiao, Xin Gao, David Thomas Boyle, Hao Chen, Wenbo Zhang, Sang Cheol Kim ir Yi Cui, 2020 m. Spalio 15 d., „Nature Energy“.
DOI: 10.1038/s41560-020-00702-8

Šį darbą rėmė DOE Energijos efektyvumo ir atsinaujinančios energijos biuras, Transporto priemonių technologijų biuras pagal „eXtreme Fast Charge Cell Evaluation of Lithium-ion Battery“ (XCEL) programą.