andrew-roberts-2JvEjF0tf50-unsplash

Nowy elektrolit akumulatorowy może zwiększyć zasięgi pojazdów elektrycznych.

Nowy elektrolit litowy wynaleziony przez naukowców z Uniwersytetu Stanforda może utorować drogę następnej generacji pojazdów elektrycznych zasilanych bateryjnie.

W badaniu opublikowanym 22 czerwca w Nature Energy badacze ze Stanford demonstrują, w jaki sposób ich nowatorski projekt elektrolitu zwiększa wydajność akumulatorów litowo-metalowych, obiecującą technologię do zasilania pojazdów elektrycznych, laptopów i innych urządzeń.

„Większość samochodów elektrycznych jest zasilanych akumulatorami litowo-jonowymi, które szybko zbliżają się do teoretycznego limitu gęstości energii” – powiedział współautor badań Yi Cui, profesor inżynierii materiałowej i fotonistyki w SLAC National Accelerator Laboratory. „Nasze badanie koncentrowało się na akumulatorach litowo-metalowych, które są lżejsze niż akumulatory litowo-jonowe i mogą potencjalnie dostarczyć więcej energii na jednostkę masy i objętości”.

Akumulatory litowo-jonowe, stosowane we wszystkim, od smartfonów po samochody elektryczne, mają dwie elektrody – dodatnio naładowaną katodę zawierającą lit i ujemnie naładowaną anodę zwykle wykonaną z grafitu. Roztwór elektrolitu pozwala jonom litu przemieszczać się w obie strony między anodą i katodą, gdy akumulator jest używany i ładuje się.

Bateria litowo-metalowa może pomieścić około dwa razy więcej energii elektrycznej na kilogram niż dzisiejsza konwencjonalna bateria litowo-jonowa. Baterie litowo-metalowe robią to, zastępując grafitową anodę litowo-metalicznym, który może przechowywać znacznie więcej energii.

„Akumulatory litowo-metalowe są bardzo obiecujące dla pojazdów elektrycznych, w których waga i objętość są dużym problemem”, powiedział współautor badań Zhenan Bao, profesor KK Lee w School of Engineering. „Ale podczas pracy anoda litowo-metaliczna reaguje z ciekłym elektrolitem. Powoduje to wzrost mikrostruktur litowych zwanych dendrytami na powierzchni anody, co może spowodować zapalenie się akumulatora i awarię”.

Naukowcy spędzili dziesięciolecia próbując rozwiązać problem dendrytów.

„Elektrolit był piętą achillesową akumulatorów litowo-metalowych” – powiedział współtwórca Zhiao Yu, absolwent chemii. „W naszym badaniu używamy chemii organicznej do racjonalnego projektowania i tworzenia nowych, stabilnych elektrolitów dla tych akumulatorów”.

W ramach badań Yu i jego koledzy zbadali, czy mogą rozwiązać problemy ze stabilnością za pomocą wspólnego, dostępnego w handlu ciekłego elektrolitu.

„Postawiliśmy hipotezę, że dodanie atomów fluoru do cząsteczki elektrolitu sprawi, że ciecz będzie bardziej stabilna”, powiedział Yu. „Fluor jest szeroko stosowanym pierwiastkiem w elektrolitach w bateriach litowych. Wykorzystaliśmy jego zdolność do przyciągania elektronów w celu stworzenia nowej cząsteczki, która umożliwia anodzie litowo-metalowej prawidłowe działanie w elektrolicie”.

W rezultacie powstał nowy syntetyczny związek, w skrócie FDMB, który można z łatwością wytwarzać luzem.

„Projekty elektrolitów stają się bardzo egzotyczne” – powiedział Bao. „Niektóre okazały się obiecujące, ale są bardzo drogie w produkcji. Cząsteczka FDMB, którą wymyślił Zhiao, jest łatwa do wyprodukowania w dużych ilościach i dość tania”.

Zespół Stanford przetestował nowy elektrolit w akumulatorze litowo-metalowym.

Rezultaty były dramatyczne. Eksperymentalny akumulator zachował 90 procent początkowego ładowania po 420 cyklach ładowania i rozładowywania. W laboratoriach typowe baterie litowo-metalowe przestają działać po około 30 cyklach.

Naukowcy zmierzyli również, jak skutecznie jony litu są przenoszone między anodą i katodą podczas ładowania i rozładowywania, właściwość zwaną „wydajnością kulombowską”.

„Jeśli naładujesz 1000 jonów litu, ile otrzymasz po rozładowaniu?” Powiedział Cui. „Idealnie, byś potrzebował 1000 z 1000 dla wydajności kulombowskiej wynoszącej 100 procent. Aby być opłacalnym komercyjnie, ogniwo akumulatorowe potrzebuje wydajności kulombowskiej wynoszącej co najmniej 99,9 procent. W naszym badaniu uzyskaliśmy 99,52 procent w połowie ogniw i 99,98 procent w pełne komórki; niesamowita wydajność ”.

W celu potencjalnego zastosowania w elektronice użytkowej zespół Stanforda przetestował również elektrolit FDMB w wolnych od anod ogniwach litowo-metalowych – dostępne w handlu baterie z katodami, które dostarczają lit do anody.

„Chodzi o to, aby używać litu po stronie katody tylko w celu zmniejszenia masy” – powiedział współtwórca Hansen Wang, doktorant w dziedzinie inżynierii materiałowej. „Bateria bez anody działała 100 cykli, zanim jej pojemność spadła do 80 procent – nie tak dobra jak równoważna bateria litowo-jonowa, która może wytrzymać od 500 do 1000 cykli, ale nadal jest jednym z najlepiej działających ogniw bez anod. „

„Te wyniki są obiecujące dla szerokiej gamy urządzeń”, dodał Bao. „Lekkie, pozbawione anody baterie będą atrakcyjną funkcją dla dronów i wielu innych urządzeń elektronicznych”.

Amerykański Departament Energii (DOE) finansuje duże konsorcjum badawcze o nazwie Battery500, aby uczynić akumulatory litowo-metalowe opłacalnymi, co pozwoliłoby producentom samochodów budować lżejsze pojazdy elektryczne, które mogą pokonywać znacznie większe odległości między ładowaniami. Badanie zostało częściowo dofinansowane z grantu konsorcjum, które obejmuje Stanford i SLAC.

Ulepszając anody, elektrolity i inne elementy, Battery500 dąży do prawie trzykrotnego zwiększenia ilości energii elektrycznej, jaką może dostarczyć bateria litowo-metalowa, od około 180 watogodzin na kilogram, gdy program rozpoczął się w 2016 r., Do 500 watogodzin na kilogram. Wyższy stosunek energii do masy lub „energii właściwej” jest kluczem do rozwiązania lęku związanego z zasięgiem, jaki często mają potencjalni nabywcy samochodów elektrycznych.

„Beznaodowa bateria w naszym laboratorium osiągała około 325 watogodzin na kilogram energii właściwej, co jest godną szacunku liczbą”, powiedział Cui. „Naszym następnym krokiem może być współpraca z innymi badaczami w Battery500 w celu budowy ogniw zbliżających się do celu konsorcjum, jakim jest 500 watogodzin na kilogram”.

Oprócz dłuższego cyklu życia i lepszej stabilności elektrolit FDMB jest również znacznie mniej łatwopalny niż konwencjonalne elektrolity.

„Nasze badanie w zasadzie zapewnia zasadę projektowania, którą ludzie mogą zastosować, aby uzyskać lepsze elektrolity” – dodał Bao. „Pokazaliśmy tylko jeden przykład, ale istnieje wiele innych możliwości”.

Źródło: https://www.sciencedaily.com/releases/2020/06/200622133016.htm; Materiały dostarczone przez Uniwersytet Stanforda . Oryginał napisany przez Marka Shwartza.

Zdjęcie: https://unsplash.com/@studiodenley; Andrew Roberts

 

Tagi: , , ,
poprzedni
następny

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *