اخبار صنعت

باتری جدید می تواند بر معایب اصلی باتری های لیتیوم هوا غلبه کند

2021-06-16
موضوعات:
فناوری باتری ، علوم مواد ، علوم نانو ، فناوری نانو ، هسته ای ، محبوب
توسط DAVID L. CHANDLER ، MIT NEWS 26 ژوئیه 2016



در مفهوم جدیدی برای کاتدهای باتری ، ذرات در مقیاس نانومتر ساخته شده از ترکیبات لیتیوم و اکسیژن (به رنگ قرمز و سفید نشان داده شده اند) در یک شبکه اسفنجی مانند (زرد) اکسید کبالت تعبیه شده اند که آنها را ثابت نگه می دارد.

مهندسان MIT پیشنهاد می کنند که یک ماده باتری لیتیوم-اکسیژن جدید را می توان در باتری هایی بسته بندی کرد که بسیار شبیه به باتری های معمولی آب بندی شده هستند اما انرژی بیشتری برای وزن آنها فراهم می کند.

باتری های لیتیوم هوا به دلیل پتانسیل بالقوه ای که برای تولید انرژی بالا نسبت به وزن خود دارند ، فناوری های بسیار امیدوار کننده ای برای خودروهای برقی و دستگاه های الکترونیکی قابل حمل محسوب می شوند. اما چنین باتری هایی دارای معایب بسیار جدی هستند: آنها مقدار زیادی از انرژی تزریق شده را به عنوان گرما هدر داده و به سرعت تخریب می شوند. آنها همچنین به قطعات اضافی گران قیمت برای پمپاژ گاز اکسیژن به داخل و خارج نیاز دارند ، در پیکربندی سلول باز که بسیار متفاوت از باتری های معمولی مهر و موم شده است.

اما یک نوع جدید از شیمی باتری ، که می تواند در یک باتری معمولی و کاملاً دربسته استفاده شود ، نوید عملکرد نظری مشابه باتری های لیتیوم هوا را می دهد ، در حالی که بر همه این معایب غلبه می کند.

مفهوم جدید باتری ، باتری کاتد نانولیتیا نامیده می شود ، در مجله Nature Energy در مقاله ای توسط Ju Li ، پروفسور علوم و مهندسی هسته ای Battelle Energy Alliance در MIT توضیح داده شده است. postdoc Zhi Zhu؛ و پنج نفر دیگر در MIT ، آزمایشگاه ملی Argonne و دانشگاه پکن در چین.

لی توضیح می دهد که یکی از کاستی های باتری های لیتیوم هوا عدم تناسب بین ولتاژهای مربوط به شارژ و تخلیه باتری ها است. ولتاژ خروجی باتری ها بیش از 1.2 ولت کمتر از ولتاژ مورد استفاده برای شارژ آنها است ، که نشان دهنده اتلاف قدرت قابل توجهی در هر چرخه شارژ است. 30 € 30 درصد از انرژی الکتریکی را به عنوان گرما در شارژ هدر می دهید. "اگر خیلی سریع آن را شارژ کنید ، واقعاً می تواند بسوزد ،" او می گوید.

محکم ماندن

باتری های معمولی لیتیوم-هوا اکسیژن را از هوای خارج جذب می کنند تا در چرخه تخلیه یک واکنش شیمیایی با لیتیوم باتری ایجاد کنند و این اکسیژن دوباره در واکنش معکوس در چرخه شارژ دوباره به اتمسفر آزاد می شود.

در نوع جدید ، همان نوع واکنش های الکتروشیمیایی بین لیتیوم و اکسیژن در حین شارژ و تخلیه رخ می دهد ، اما بدون اینکه اجازه دهند اکسیژن به حالت گازی برگردد ، رخ می دهد. در عوض ، اکسیژن در داخل جامد باقی می ماند و مستقیماً بین سه حالت اکسیداسیون و اکسیداسیون خود تغییر شکل می دهد ، در حالی که به شکل سه ترکیب شیمیایی مختلف جامد ، Li2O ، Li2O2 و LiO2 ، که به شکل یک شیشه با هم مخلوط شده اند ، متصل می شود. این امر ضریب ولتاژ را تا پنج برابر از 1.2 ولت به 0.24 ولت کاهش می دهد ، بنابراین تنها 8 درصد از انرژی الکتریکی به گرما تبدیل می شود. means € "این به معنی شارژ سریعتر خودروها است ، زیرا حذف گرما از باتری کمتر از نظر ایمنی و مزایای بهره وری انرژی ،" Li € Li می گوید.

این رویکرد به غلبه بر مسئله دیگری در مورد باتری های لیتیوم-هوا کمک می کند: همانطور که واکنش شیمیایی درگیر در شارژ و تخلیه اکسیژن را بین اشکال گازی و جامد تبدیل می کند ، مواد از نظر حجم حجم زیادی را پشت سر می گذارد که می تواند مسیرهای هدایت الکتریکی را در ساختار مختل کرده و طول عمر آن را به شدت محدود کند. به

راز فرمولاسیون جدید ایجاد ذرات ریز در مقیاس نانومتر (میلیاردم متر) است که هم لیتیوم و هم اکسیژن را در قالب یک شیشه ، محکم در درون ماتریسی از اکسید کبالت محصور کرده اند. محققان از این ذرات به عنوان نانولیتیا یاد می کنند. در این شکل ، انتقال بین LiO2 ، Li2O2 و Li2O می تواند به طور کامل در داخل مواد جامد صورت گیرد.

ذرات نانولیتیا در حالت عادی بسیار ناپایدار هستند ، بنابراین محققان آنها را درون ماتریس اکسید کبالت ، ماده ای شبیه اسفنج با منافذی به عرض چند نانومتر ، قرار دادند. ماتریس ذرات را تثبیت می کند و همچنین به عنوان یک کاتالیزور برای تبدیل آنها عمل می کند.

لی توضیح می دهد که باتری های معمولی لیتیوم هوا ، واقعاً باتری های اکسیژن خشک با لیتیوم هستند ، زیرا واقعاً نمی توانند رطوبت یا دی اکسید کربن را تحمل کنند ، بنابراین اینها باید با دقت از هوای ورودی تغذیه کننده پاک شوند. باتری شما برای حذف دی اکسید کربن و آب به سیستم های کمکی بزرگ نیاز دارید ، و انجام این کار بسیار دشوار است. اما باتری جدید ، که هرگز نیازی به جذب هوای بیرون ندارد ، این مشکل را دور می زند.

بدون اضافه بار

تیم می گوید که باتری جدید نیز ذاتاً از شارژ بیش از حد محافظت می شود ، زیرا واکنش شیمیایی در این مورد به طور طبیعی هنگامی که بیش از حد شارژ می شود خود محدود کننده است ، واکنش به شکل دیگری تغییر می کند که مانع از فعالیت بیشتر می شود. Li € "با یک باتری معمولی ، اگر آن را بیش از حد شارژ کنید ، می تواند باعث آسیب ساختاری برگشت ناپذیر یا حتی منفجر شدن شود" ، لی می گوید. اما با استفاده از باتری نانولیتیا ، ما 15 روز باتری را بیش از 100 برابر ظرفیت آن شارژ کرده ایم ، اما هیچ آسیبی به آن وارد نشده است.

در آزمایشات دوچرخه سواری ، نسخه آزمایشگاهی باتری جدید در 120 چرخه شارژ و تخلیه قرار گرفت و کمتر از 2 درصد ظرفیت را از دست داد ، که نشان می دهد چنین باتری هایی می توانند عمر مفید طولانی داشته باشند. و از آنجا که چنین باتری هایی می توانند درست مانند باتری های لیتیوم یون جامد معمولی نصب و کار کنند ، بدون هیچ یک از اجزای کمکی مورد نیاز برای باتری لیتیوم هوا ، می توانند به راحتی با تاسیسات موجود یا طرح های معمولی بسته های باتری برای اتومبیل ، لوازم الکترونیکی ، سازگار شوند. یا حتی ذخیره انرژی در مقیاس شبکه.

تیم تحقیق می گوید از آنجا که این کاتدهای اکسیژن جامد بسیار سبک تر از کاتدهای معمولی باتری لیتیوم-یون هستند ، طراحی جدید می تواند تا دو برابر مقدار انرژی برای وزن کاتدی معین ذخیره کند. به گفته لی ، با پیشرفت بیشتر در طراحی ، باتری های جدید در نهایت می توانند این ظرفیت را دوباره دو برابر کنند.

به گفته لی ، همه اینها بدون افزودن اجزا یا مواد گران قیمت انجام می شود. او می گوید کربناتی که آنها به عنوان الکترولیت مایع در این باتری استفاده می کنند - ارزان ترین نوع الکترولیت است. و وزن جزء اکسید کبالت کمتر از 50 درصد جزء نانولیتیا است. به طور کلی ، سیستم باتری جدید مقیاس پذیر ، ارزان و بسیار ایمن تر از باتری های لیتیوم هوا است.

تیم انتظار دارد ظرف مدت یک سال از اثبات مفهوم در مقیاس آزمایشگاهی به نمونه اولیه عملی برسد.

i € "این یک پیشرفت اساسی است ، که ممکن است الگوی باتری های مبتنی بر اکسیژن را تغییر دهد ،" می گوید Xiulei Ji ، استادیار شیمی در دانشگاه ایالتی اورگان ، که در این کار مشارکت نداشت. در این سیستم ، الکترولیت تجاری مبتنی بر کربنات با شاتل های سوپراکسید حل شده بسیار خوب کار می کند ، که بسیار چشمگیر است و ممکن است به فقدان O2 گازی در این سیستم مهر و موم شده مربوط باشد. تمام توده های فعال کاتد در طول دوچرخه سواری جامد هستند ، که نه تنها چگالی انرژی زیادی ، بلکه سازگاری با زیرساخت فعلی تولید باتری را ارائه می دهد.

تیم تحقیق شامل دانشمندان تحقیق MIT Akihiro Kushima و Zongyou Yin بود. لو چی از دانشگاه پکن ؛ و خلیل آمینه و جون لو از آزمایشگاه ملی Argonne در ایلینوی. این کار توسط بنیاد ملی علوم و وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود.
انتشار: Zhi Zhu ، و همکاران ، c € œAntion-redox nanolithia cathodes for battery Li-ion، Nature € Nature Energy 1 ، شماره مقاله: 16111 (2016) ؛ doi: 10.1038/nenergy.2016.111