Поскольку литий-ионные батареи служат для большого количества решений современного мира, от телефонов и ноутбуков до электромобилей и самолетов, каждый научный прорыв, улучшающий их характеристики, является важным. Некоторые из них являются результатом постепенных достижений, например, в области альтернативных материалов, в то время как другие возникают из-за переосмысления всего устройства и того, как они работают с нуля. В 2021 году было сделано множество открытий, которые стали результатом нестандартного мышления исследователей. Давайте разберемся с наиболее креативными и интересными примерами.
Открытие для более быстрой зарядки
Один из способов, которым ученые надеются улучшить скорость зарядки батарей, — это использование пористой структуры для анода, одного из двух его электродов. Это обеспечивает большую площадь контакта с жидким электролитом, который переносит ионы лития, и позволяет им легче диффундировать через материал, потенциально делая батареи, которые заряжаются намного, намного быстрее.
В ноябре мы рассмотрели новый многообещающий подход к этой технологии: ученые из Университета Твенте создали анод из материала, называемого ниобатом никеля. Он отличался «открытой и правильной» кристаллической структурой с идентичными повторяющимися каналами, что делало его идеальным для переноса ионов.
Это было преобразовано в полностью заряженный аккумулятор, и ученые обнаружили, что он обеспечивает сверхбыструю скорость зарядки, в 10 раз быстрее, чем современные литий-ионные батареи. Это было заметным улучшением по сравнению с пористыми материалами, предложенными до сих пор в этой области, которые имеют неорганизованные и случайные каналы, которые вызывают прогиб структур во время зарядки и выход батареи из строя. Исследователи отмечают, что ниобат никеля имеет более высокую объемную плотность, чем графит, используемый для современных анодов, что также может привести к появлению более легких и компактных коммерческих аккумуляторов.
Возвращение лития из мертвых
Когда батарея переключается в цикл, ионы лития перемещаются между двумя электродами, но не все из них совершают это путешествие все время. Это вызывает образование электрохимически неактивных «островков» лития между ними, которые остаются отключенными от электродов, при этом эти сгустки вызывают снижение емкости устройства или даже вызывают его возгорание.
Ученые из Стэнфордского университета сделали интересный шаг вперед: они нашли способ не просто нейтрализовать эти разрушительные комки мертвого лития, но и вернуть их к жизни, чтобы повысить производительность батареи. Команда обнаружила, что добавление сильноточного напряжения во время перезарядки активизировало этот неактивный литий, заставляя его ползать «как червь» и повторно соединяться с электродом, увеличивая срок службы батареи на 30 процентов.
По словам команды, этот прорыв может привести к усовершенствованию конструкции быстро заряжаемых аккумуляторов или аккумуляторных батарей с большей емкостью и сроком службы. Интересно, что они отмечают, что проблема мертвого литиевого острова — реальная проблема для литий-металлических батарей следующего поколения, которые могут удерживать до 10 раз больше энергии, поэтому прорыв может привести к новым решениям, открывающим эту многообещающую архитектуру.
Аккумулятор в стиле BLT
Harvard SEAS
Одна из причин, по которой ученые видят такой большой потенциал в литий-металлических батареях, заключается в том, что металлический литий имеет гораздо более высокую емкость и плотность энергии, чем графит и медь, используемые для анодов в современных батареях. Это позиционирует его как «святой Грааль» в глазах ученого-материаловеда из Гарварда Синь Ли, который еще в мае представил новую батарею в виде сэндвича, которая могла бы преодолеть некоторые проблемы стабильности, которые до сих пор преследовали литий-металлические конструкции.
Эти проблемы со стабильностью возникают из-за игольчатых выступов, называемых дендритами, которые образуются на литий-металлическом аноде во время зарядки, вызывая снижение производительности аккумулятора и его выход из строя или даже возгорание. Ли и его коллеги стремились преодолеть это, заменив жидкий электролит батареи парой твердых, которые сложены вместе в сэндвич в стиле BLT и работают над безопасным контролем и сдерживанием дендритов по мере их образования.
Кроме того, батарея типа «сэндвич» способна заполнять зазоры, образованные дендритами. В ходе тестирования команда обнаружила, что он сохранил 82 процента своей емкости после 10 000 циклов и, что наиболее многообещающе, продемонстрировал такую плотность тока, которая однажды может позволить электромобилям заряжаться в течение 20 минут.
Есть ли у ответ природы?
В октябре мы рассмотрели еще одно интересное решение проблем стабильности, связанных с литий-металлическими батареями, с группой ученых из США, которые обратились за вдохновением к природе . Этот прорыв снова зависел от идеи использования твердого электролита, а не жидкого для переноса заряда, при этом ученые использовали нанофибриллы целлюлозы, полученные из дерева, в качестве отправной точки.
Эти микроскопические полимерные трубки были объединены с медью, чтобы сформировать твердый ионный проводник с крошечными отверстиями между полимерными цепями, которые действовали как «ионные супермагистрали», позволяя ионам лития перемещаться с рекордной эффективностью. Это означало, что материал имел проводимость от 10 до 100 раз большую, чем другие полимерные ионные проводники. Исследователи также говорят, что, поскольку материал тонкий и гибкий, электролит может лучше выдерживать нагрузки при циклическом переключении батареи и выдерживать среду литий-металлической архитектуры.
Новый взгляд на старый дизайн
Стэнфордский университет
Щелочно-металл-хлорные батареи существуют с 1970-х годов и предлагают высокую плотность энергии, но высокореактивный хлор означает, что их хватает только на одноразовое использование. В августе ученые из Стэнфордского университета придумали способ стабилизировать эти реакции и фактически позволить заряжать эти типы батарей высокой плотности.
Раствор состоял из нового электродного материала, сделанного из пористого углерода, который поглощал беспорядочные молекулы хлора и безопасно преобразовывал их обратно в хлорид натрия, их исходную форму перед разрядом. Этот цикл можно было повторить до 200 раз в экспериментальной батарее, предлагающей примерно в шесть раз большую плотность, чем сегодняшняя литий-ионная технология.
Меньше — больше
Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория
Если это не стало ясно, литий-металлические батареи являются ключевым направлением среди ученых в этой области, и еще в июне мы видели, как исследователи использовали их в рекордных условиях . Команда сосредоточила свое внимание на так называемой межфазной границе твердого электролита (SEI), которая представляет собой тонкую пленку поверх анода, которая играет важную роль, контролируя какие молекулы входят из электролита во время цикла.
Сложные реакции происходят вокруг анода и влияют на характеристики SEI в существующих конструкциях, но ученые из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) Министерства энергетики США нашли новое решение в виде очень тонких полосок лития шириной около 20 мм. микрон, намного тоньше человеческого волоса. Они были использованы в качестве основы для анода с SEI, который лучше взаимодействует с электролитом, чем аноды с более толстыми полосками, которые подавляют важные электрохимические реакции.
Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория
Опытный образец аккумуляторной батареи карманного типа с этим анодом сохранил 76 процентов своей емкости в течение рекордных 600 циклов с плотностью энергии 350 Втч / кг. Для справки: лучшие в своем классе литий-ионные батареи, используемые сегодня, имеют плотность от 250 до 300 Втч / кг.
Как заполнение полости
Массачусетский технологический институт
Еще один интересный пример батареи, в которой используется твердый электролит, а не жидкий, конструкция которого, как утверждается, позволяет преодолеть некоторые из ключевых препятствий в этой области. Батарея представляла собой «полутвердый» электрод из натрий-калиевых сплавов, который исследователи сравнивали с материалом, который стоматологи используют для заполнения полостей, поскольку он был твердым, но мог течь и формироваться.
Когда этот материал вступает в контакт с твердым электролитом, он обладает достаточной податливостью, чтобы предотвратить образование трещин на более жестком и хрупком материале электрода. Этот самовосстанавливающийся материал предотвращал образование повреждающих дендритов, а также позволял получать гораздо более высокие плотности тока, чем другие твердотельные батареи, которые позволяли — примерно в 20 раз больше — прокладывая путь для гораздо большей скорости зарядки.
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК
Опубликуйте материал о ваших технологиях, проектах, стратапах
hello@technovery.com