Pramonės naujienos

Nauja elektrolitų konstrukcija, galinti pagerinti ličio jonų baterijų veikimą

2021-08-03

Vaizdas, kuriame pavaizduota Si dalelė, padengta LiF turinčiu SEI. Kreditas: Chen ir kt.


Daugelyje esamų ličio jonų akumuliatorių (LIB) yra integruoti grafito anodai, kurių talpa yra apie 350 miliampų valandų (mAh) vienam gramui. Silicio anodų talpa yra beveik 10 kartų didesnė nei jų grafito analogų (apie 2800 mAh gramui), todėl teoriškai galėtų sudaryti sąlygas kompaktiškesnėms ir lengvesnėms ličio baterijoms.

Nepaisant didesnės talpos, silicio anodai iki šiol negalėjo konkuruoti su grafito anodais, nes veikiant akumuliatoriui silicis plečiasi ir susitraukia, todėl veikiant baterijai išorinis anodų apsauginis sluoksnis gali lengvai įtrūkti. Neseniai paskelbtame straipsnyje „Gamtos energija“ Merilando koledžo parko universiteto ir armijos tyrimų laboratorijos tyrėjų komanda pranešė apie naują elektrolitų dizainą, galintį įveikti esamų silicio anodų apribojimus.
„Silicio anodus ir jų suformuotus kietojo elektrolito tarpfazių (SEI) apsauginius sluoksnius akumuliatoriaus veikimo metu lengviau susmulkinti, nes SEI stipriai jungiasi prie Si, todėl abu patiria daug pokyčių“, - sakė vienas iš pirmaujančių tyrėjų Ji Chen. išėjo iš tyrimo, sakė Phys.org.
SEI yra apsauginis sluoksnis, kuris natūraliai susidaro, kai anodo dalelės tiesiogiai liečiasi su elektrolitu. Šis sluoksnis tarnauja kaip barjeras, neleidžiantis tolesnėms reakcijoms atsirasti akumuliatoriaus viduje, atskiriant anodą nuo elektrolito.
„Jei šis apsauginis sluoksnis sugadinamas Si anodo dalelių išsiplėtimo ar susitraukimo metu, naujai atskleistos anodo dalelės nuolat reaguoja su elektrolitu, kol jis baigiasi baterijos ciklo metu“, - sakė Olegas Borodinas, vyresnysis chemikas, dalyvavęs tyrime kariuomenės tyrimų laboratorijoje. Phys.org.
Daugiau nei dešimtmetį mokslinių tyrimų grupės visame pasaulyje bandė įveikti problemas, trukdančias naudoti silicio anodus LIB, pirmiausia kurdamos lanksčias ir organines SEI, kurios plečiasi kartu su anodais. Tačiau dauguma jų sukurtų sprendimų pasirodė visiškai neveiksmingi arba šiek tiek veiksmingi, todėl tik iš dalies užkerta kelią SEI pažeidimams.


„Ilgą laiką LIB tyrėjų bendruomenė bandė sukurti metodus, kaip sukurti didelio pajėgumo anodus, tokius kaip Si“,-sakė Chunsheng Wang, profesorius Cheminės ir biomolekulinės inžinerijos katedroje bei Universiteto Chemijos ir biochemijos katedroje. Maryland (UMD), kuris taip pat yra „Extreme“ baterijų tyrimų centro UMD direktorius. "Šie tyrėjai daugiausia dirbo Si medžiagos lygiu, įvesdami brangius nanodalelių gamybos procesus. Mes bandėme spręsti šią problemą kitaip, suprojektuodami elektrolitą ir atitinkamą SEI didelės talpos anodams."

Chenas, Borodinas, Wangas ir jų kolegos suprojektavo elektrolitą, kuris galėtų pagerinti mikroskopinių silicio anodų veikimą LIB, neleidžiant pažeisti jų išorinio apsauginio barjero. Palyginti su anksčiau pasiūlytais sprendimais, jų metodas iš esmės sumažina elektrolitų skilimą, todėl baterija gali veikti daug ilgiau, kol ji praranda savo talpą.

Galutinis tyrėjų tyrimo tikslas buvo nustatyti universalų, įleidžiamą sprendimą, kuris galėtų palengvinti didelės talpos anodų kūrimą ličio baterijoms. Norėdami tai pasiekti, jie sukūrė elektrolitus, naudodami LiPF6, modernią druską ir eterio tirpiklių mišinį, sudarydami labai tvirtą LiF turtingą SEI apsauginį sluoksnį.

„Ypatinga tirpimo struktūra (druskos ir tirpiklio sąveika) ir didelis atotrūkis tarp druskos ir tirpiklio mažinimo tendencijos skatina unikalų LiF turtingą SEI susidarymą ant Si, kuris yra labai naudingas važiuojant didelės talpos dviračiu. Si anodai “, - paaiškino Olegas. „Mūsų sukurtas elektrolitas yra dabartinės LIB technologijos sprendimas, nereikalaujantis brangaus apdorojimo, tuo pačiu išlaikant aukštą dviračių stabilumą ir kuloninį efektyvumą (CE), kuris yra precedento neturintis“.

Neseniai atliktas Cheno, Borodino, Wango ir jų kolegų tyrimas įrodo, kad LIB, kurių sudėtyje yra silicio anodų, pasiekti gerą važiavimą dviračiu ir aukštą CE yra iš tikrųjų įmanoma ir kad tai galima pasiekti tiesiog pakeitus elektrolitą akumuliatoriaus viduje, kuris anksčiau buvo laikoma nepraktiška arba visiškai neįgyvendinama. Jų elektrolitų konstrukcijos principas teoriškai taip pat galėtų būti taikomas visiems didelės talpos lydinių anodams. Ateityje ši konstrukcija galėtų sudaryti sąlygas geriau veikiančioms ličio baterijoms, kuriose yra anodų, pagamintų iš kitų medžiagų nei grafitas.

„Mūsų išvados nurodo naują elektrolitų projektavimo kryptį ir gali suteikti mokslinių tyrimų grupėms visame pasaulyje pasitikėjimą didelės talpos anodo medžiagų pritaikymu LIB“,-sakė Wangas. „Kiti mūsų žingsniai bus pagerinti elektrolito įtampos langą ir pabandyti licencijuoti technologiją.