اخبار صنعت

طراحی جدید می تواند باتری های لیتیوم-یون طولانی تر و قوی تر را فعال کند

2021-06-16
موضوعات:
باتری ، فناوری ، انرژی ، لیتیوم یون ، MIT
نویسنده: دیوید چاندلر ، موسسه فناوری MASSACHUSETTS ، 26 مارس 2021



استفاده از یک الکترولیت جدید می تواند به الکترودهای فلزی پیشرفته و ولتاژهای بالاتر اجازه دهد ، ظرفیت و عمر چرخه را افزایش دهد.

باتری های لیتیوم یونی دستگاه های الکترونیکی سبک وزن را که در حال حاضر قابلیت حمل آنها را بدیهی می دانیم و همچنین گسترش سریع تولید خودروهای برقی را ممکن ساخته است. اما محققان در سراسر جهان برای دستیابی به چگالی انرژی بیشتر-مقدار انرژی قابل ذخیره در یک توده معین از مواد-به منظور بهبود عملکرد دستگاههای موجود و امکان بالقوه جدید برنامه هایی مانند پهپادهای دوربرد و روبات ها.

یک رویکرد امیدوار کننده ، استفاده از الکترودهای فلزی به جای گرافیت معمولی ، با ولتاژ شارژ بیشتر در کاتد است. با این حال ، انواع واکنشهای شیمیایی ناخواسته که با الکترولیت جدا کننده الکترودها انجام می شود ، مانع این تلاش ها شده است. در حال حاضر ، تیمی از محققان در MIT و جاهای دیگر الکترولیت جدیدی یافته اند که بر این مشکلات غلبه می کند و می تواند جهشی قابل توجه در قدرت به ازای باتری های نسل بعدی ، بدون قربانی کردن عمر چرخه ایجاد کند.

این تحقیقات در مجله Nature Energy در مقاله ای توسط پروفسورهای MU Ju Li، Yang Shao-Horn و Jeremiah Johnson گزارش شده است. postdoc Weijiang Xue؛ و 19 نفر دیگر در MIT ، دو آزمایشگاه ملی و جاهای دیگر. محققان می گویند این یافته می تواند باتری های لیتیوم یونی را که اکنون به طور معمول می توانند حدود 260 وات ساعت بر کیلوگرم ذخیره کنند ، در حدود 420 وات ساعت در کیلوگرم ذخیره کند. این امر به محدوده طولانی تری برای خودروهای برقی و تغییرات طولانی مدت در دستگاه های قابل حمل تبدیل می شود.



تصاویر توموگرافی اشعه ایکس گرفته شده در آزمایشگاه ملی بروکهاون ترک خوردگی ذره ای در یک الکترود سلول باتری را نشان می دهد که از الکترولیت معمولی استفاده می کرد (همانطور که در سمت چپ مشاهده می شود). محققان دریافتند که استفاده از یک الکترولیت جدید از بیشتر این ترک خوردگی (راست) جلوگیری می کند. اعتبار: با احترام از محققان

مواد اولیه اولیه برای این الکترولیت ارزان است (اگرچه یکی از ترکیبات میانی هنوز گران است زیرا در استفاده محدود است) و فرآیند ساخت آن ساده است. بنابراین ، محققان می گویند ، این پیشرفت می تواند به سرعت انجام شود.

جانسون ، استاد شیمی توضیح می دهد که الکترولیت خود چیز جدیدی نیست. چند سال پیش توسط برخی از اعضای این تیم تحقیقاتی ، اما برای کاربردی متفاوت توسعه داده شد. این بخشی از تلاش برای توسعه باتری های لیتیوم هوا بود ، که به عنوان راه حل نهایی بلند مدت برای به حداکثر رساندن چگالی انرژی باتری تلقی می شود. اما هنوز موانع زیادی بر سر راه توسعه چنین باتری هایی وجود دارد و این فناوری ممکن است هنوز سالها با آن فاصله داشته باشد. در این میان ، به کار بردن آن الکترولیت روی باتری های لیتیوم یونی با الکترودهای فلزی چیزی است که می توان خیلی سریعتر به آن دست یافت.

کاربرد جدید این ماده الکترود پس از چند سال پیش که توسط شائو هورن ، جانسون و دیگران در پروژه ای مشترک با هدف توسعه باتری لیتیوم-هوا طراحی شده بود ، به طرز بسیار بدی یافت شد.

جانسون می گوید: "هنوز واقعاً هیچ چیزی وجود ندارد که به باتری لیتیوم هوا خوب قابل شارژ اجازه دهد." با این حال ، ما این مولکول های آلی را طراحی کردیم که امیدوار بودیم در مقایسه با الکترولیت های مایع موجود که مورد استفاده قرار می گیرند ، ثبات ایجاد کند. آنها سه فرمولاسیون مختلف مبتنی بر سولفونامید را توسعه دادند که به نظر آنها در برابر اکسیداسیون و سایر تخریب ها کاملاً مقاوم بود. اثرات سپس ، با همکاری گروه Liâ ، postdoc Xue تصمیم گرفت این ماده را به جای کاتدهای استاندارد تری امتحان کند.

لی ، که استاد علوم هسته ای است ، می گوید: نوع الکترود باتری که آنها اکنون با این الکترولیت استفاده کرده اند ، یک اکسید نیکل حاوی مقداری کبالت و منگنز ، - این موتور کار صنعت خودروهای برقی امروز است. و مهندسی و علوم مواد و مهندسی.
 
از آنجا که مواد الکترود با شارژ شدن و تخلیه منسجم و منسجم می شوند ، این می تواند منجر به ترک خوردگی و خرابی عملکرد هنگام استفاده از الکترولیت های معمولی شود. اما در آزمایشات انجام شده با آزمایشگاه ملی بروکهاون ، محققان دریافتند که استفاده از الکترولیت جدید این تخریب ترک خوردگی ناشی از تنش را به شدت کاهش می دهد.

مشکل این بود که اتم های فلزی موجود در آلیاژ تمایل به حل شدن در الکترولیت مایع دارند و جرم خود را از دست داده و منجر به ترک خوردگی فلز می شوند. در مقابل ، الکترولیت جدید در برابر چنین انحلال بسیار مقاوم است. با نگاهی به داده های آزمایش بروکهاون ، لی می گوید ، دیدن این نکته بسیار تکان دهنده است که اگر فقط الکترولیت را تغییر دهید ، همه این ترک ها از بین رفته است. آنها دریافتند که ریخت شناسی مواد الکترولیت بسیار قوی تر است و فلزات انتقالی در این الکترولیت های جدید فقط حلالیت چندانی ندارند.

او می گوید این ترکیب شگفت انگیزی بود ، زیرا این ماده هنوز هم به راحتی اجازه می دهد یون های لیتیوم از طریق مکانیسم اصلی شارژ و تخلیه باتری ها عبور کنند ، در حالی که مانع از ورود دیگر کاتیون ها ، به عنوان فلزات گذار ، می شود. تجمع ترکیبات ناخواسته روی سطح الکترود پس از بسیاری از چرخه های شارژ و تخلیه در مقایسه با الکترولیت استاندارد بیش از ده برابر کاهش یافت.

Shao-Horn ، استاد مهندسی مکانیک و علوم و مهندسی مواد ، می گوید: "الکترولیت در برابر اکسیداسیون مواد غنی از نیکل با انرژی بالا از نظر شیمیایی مقاوم است و از شکستن ذرات جلوگیری می کند و الکترود مثبت را در دوچرخه سواری تثبیت می کند." الکترولیت همچنین امکان سلب و آبکاری پایدار و برگشت پذیر از فلز لیتیوم را فراهم می کند ، گامی مهم در جهت فعال کردن باتری های لیتیوم-فلزی قابل شارژ با دو برابر انرژی بیشتر از باتری های لیتیوم یون پیشرفته. این یافته جستجوی بیشتر الکترولیت ها و طراحی الکترولیت های مایع را برای باتری های لیتیوم-فلزی که با الکترولیت های حالت جامد رقابت می کنند ، کاتالیز خواهد کرد.

گام بعدی مقیاس بندی تولید است تا مقرون به صرفه باشد. جانسون می گوید: "ما آن را در یک واکنش بسیار آسان از مواد اولیه تجاری موجود به آسانی انجام می دهیم." در حال حاضر ، ترکیب اولیه ای که برای سنتز الکترولیت استفاده می شود گران است ، اما او می گوید: "من فکر می کنم اگر بتوانیم به جهان نشان دهیم که این یک الکترولیت عالی برای لوازم الکترونیکی مصرفی است ، انگیزه افزایش مقیاس بیشتر به رانندگی کمک می کند. کاهش قیمت. €

از آنجا که این در اصل جایگزینی برای الکترولیت موجود است و نیازی به طراحی مجدد کل سیستم باتری ندارد ، لی می گوید ، می توان آن را به سرعت اجرا کرد و ظرف چند سال تجاری شد. هیچ عنصر گران قیمتی وجود ندارد ، فقط کربن و فلورین است. بنابراین ، این توسط منابع محدود نمی شود ، این فقط فرایند است ، "او می گوید.

مرجع: c € c کاتدهای لایه ای با ولتاژ بالا و غنی از نیکل در باتری های فلزی Li Li عملی که توسط الکترولیت مبتنی بر سولفونامید فعال شده است-توسط Weijiang Xue ، Mingjun Huang ، Yutao Li، Yun Guang Zhu ، Rui Gao ، Xianghui Xiao ، Wenxu ژانگ ، Sipei Li ، Guiyin Xu ، Yang Yu ، Peng Li ، Jeffrey Lopez ، Daiwei Yu ، Yanhao Dong ، Weiwei Fan ، Zhe Shi ، Rui Xiong ، Cheng-Jun Sun ، Inhui Hwang ، Wah-Keat Lee ، Yang Shao-Horn ، Jeremiah A. Johnson and Ju Li، Nature Energy.
DOI: 10.1038/s41560-021-00792-y

این تحقیق توسط وزارت انرژی ایالات متحده و بنیاد ملی علوم پشتیبانی شد و از امکانات آزمایشگاه ملی بروکهاون و آزمایشگاه ملی آرگون استفاده کرد.