Pramonės naujienos

Idealios baterijos sutrikimas: netvarkinga, tačiau labai simetriška struktūra

2021-06-16
TEMOS:
Baterijų technologija, Molekulinė fizika, Ženevos universitetas
GENEVOS UNIVERSITETAS 2020 m. Spalio 12 d



Trimatis natrio jonų difuzijos paviršius hidroborato kristale. Ši nauja medžiaga sudaro netvarkingą, tačiau labai simetrišką struktūrą, leidžiančią judėti natriui, panašiam į ličio, esančio komercinėje baterijoje. Kreditas: © UNIGE/Brighi

Norint gaminti saugesnes ir galingesnes baterijas, naudojančias geopolitiškai stabilius išteklius, reikia kietų elektrolitų ir ličio pakeisti natriu. Dabar baterijų kūrėjams siūlomas cheminis sprendimas.

Ličio baterijos, maitinančios mūsų elektroninius prietaisus ir elektrines transporto priemones, turi daug trūkumų. Elektrolitas - terpė, leidžianti elektronams ir teigiamiems krūviams judėti tarp elektrodų - yra degus skystis. Be to, ličio, iš kurio jie pagaminti, ištekliai yra riboti, o tai yra pagrindinis geopolitinių klausimų akcentas.

Ženevos universiteto (UNIGE) kristalografijos specialistai sukūrė nedegų, kietą elektrolitą, veikiantį kambario temperatūroje. Jis perneša natrį, kuris yra visur pasaulyje, vietoj ličio. Tai laimingas derinys, kuris taip pat reiškia, kad galima gaminti galingesnes baterijas.

Šių „idealių“ baterijų savybės būtų pagrįstos kristaline elektrolito struktūra, hidroboratu, susidedančiu iš boro ir vandenilio. UNIGE tyrimų grupė žurnale „Cell Reports Physical Science“ paskelbė tikrą įrankių rinkinį, kuriame yra akumuliatorių kūrėjams skirtų kietųjų elektrolitų gamybos strategija.

Energijos kaupimo iššūkis yra didžiulis tvarumo iniciatyvoms. Iš tikrųjų elektrinių transporto priemonių, kurios neišskiria šiltnamio efektą sukeliančių dujų, kūrimas priklauso nuo galingų, saugių baterijų, kaip ir atsinaujinančios energijos - saulės ir vėjo - plėtra priklauso nuo energijos saugojimo pajėgumų. Ličio baterijos yra dabartinis atsakas į šiuos iššūkius. Deja, ličiui reikalingi skysti elektrolitai, kurie nutekėjimo atveju yra labai sprogūs. „Be to, ličio nėra visur pasaulyje, ir tai sukuria geopolitines problemas, panašias į aplinkinę naftą. Natris yra geras kandidatas jį pakeisti, nes jo cheminės ir fizinės savybės yra artimos ličiui ir jo yra visur “,-teigia UNIGE Mokslų fakulteto postdoktorantas Fabrizio Murgia.

Per aukšta temperatūra

Du elementai - „natris ir ličio“ - yra arti vienas kito periodinėje lentelėje. „Problema ta, kad natris yra sunkesnis už jo pusbrolį ličio. Tai reiškia, kad jam sunku sukiotis akumuliatoriaus elektrolite “,-priduria Matteo Brighi, UNIGE doktorantas ir pirmasis tyrimo autorius. Atitinkamai reikia sukurti elektrolitus, galinčius pernešti katijonus, tokius kaip natris. 2013 ir 2014 metais Japonijos ir Amerikos tyrimų grupės nustatė, kad hidroboratai yra geri natrio laidininkai, esant aukštesnei nei 120 ° C temperatūrai. Iš pirmo žvilgsnio tai yra per aukšta temperatūra kasdieniniam baterijų naudojimui - bet dievobaimė Ženevos laboratorijai!
Ženevos kristalografai, turintys dešimtmečių patirtį hidroboratų, naudojamų tokiose srityse kaip vandenilio laikymas, srityje, pradėjo mažinti laidumo temperatūrą. „Gavome labai gerus rezultatus ir puikias savybes, suderinamas su baterijomis. Mums pavyko naudoti hidroboratus kaip elektrolitą nuo kambario temperatūros iki 250 laipsnių Celsijaus be jokių saugos problemų. Be to, jie atsparūs didesniems potencialų skirtumams, o tai reiškia, kad baterijos gali sukaupti daugiau energijos “, - tęsia Radovanas Cerny, UNIGE Kristalografijos laboratorijos profesorius ir projekto vadovas.

Sprendimas: sutrikimas

Kristalografija - mokslas, esantis tarp mineralogijos, fizikos ir chemijos - yra naudojamas analizuoti ir suprasti cheminių medžiagų struktūras bei numatyti jų savybes. Kristalografijos dėka galima projektuoti medžiagas. Būtent šis kristalografinis metodas buvo naudojamas įgyvendinant Ženevos tyrėjų trijulės paskelbtas gamybos strategijas. „Mūsų straipsnyje pateikiami struktūrų, kurios gali būti naudojamos hidroboratams sukurti ir sutrikdyti, pavyzdžiai“, - sako Murgia. Hidroboratų struktūra leidžia atsirasti boro ir neigiamai įkrauto vandenilio sferoms. Šios sferinės erdvės palieka pakankamai vietos teigiamai įkrautiems natrio jonams praeiti. „Nepaisant to, kadangi neigiami ir teigiami krūviai traukia vienas kitą, mes turėjome sukurti struktūros sutrikimą, kad sutrikdytume hidroboratus ir leistume natriui judėti“, - tęsia Brighi.

Nuoroda: „Clos-Hydroborate natrio druskos kaip besiformuojanti kambario temperatūros kietųjų elektrolitų klasė“, autorius Matteo Brighi, Fabrizio Murgia ir Radovan ÄŒerný, 2020 m. Spalio 7 d., „Cell Reports Physical Science“.
DOI: 10.1016/j.xcrp.2020.100217

Straipsnis yra įrankių rinkinys, skirtas baterijų kūrėjams. Dėl to turėtų atsirasti naujos kartos baterijos, kurios būtų stabilesnės ir galingesnės. Šveicarijoje gyvena tikra patirtis dėl glaudaus UNIGE ir EMPA Dübendorfo bendradarbiavimo. Abi institucijos šiuo metu stengiasi sukurti tvirtą, 4 V natrio bateriją, kuri bus galingesnė už 3 V, išleistą 2019 m. Autentiškas „Made in Switzerland“ produktas!