اخبار صنعت

باتری "حالت جامد" عملکرد بهتر و ایمنی بیشتری را ارائه می دهد

2021-06-16
موضوعات:
فناوری باتری ، علوم مواد ، دانشگاه ژنو
توسط دانشگاه ژنو 24 نوامبر 2017



ترکیب باتری سدیم جامد. © امپا

تلفن ها ، لپ تاپ ها ، ماشین های برقی - باتری ها همه جا هستند. و برای برآوردن انتظارات مصرف کنندگان امروزی ، این باتری ها به طور فزاینده ای سبک تر ، قدرتمندتر و طراحی شده اند تا بیشتر عمر کنند. در حال حاضر مهمترین فناوری برای این کاربردها فناوری باتری لیتیوم-یون است: اما این فناوری گران است و حاوی یک مایع قابل اشتعال است که ممکن است هنگام سوء استفاده از باتری خطری ایمنی را نشان دهد. برای برآوردن تقاضای روزافزون از بازارهای نوظهور (به عنوان مثال خودروهای برقی و ذخیره انرژی تجدیدپذیر) ، محققان Empa ، آزمایشگاه های فدرال سوئیس برای علم مواد و فناوری مواد و دانشگاه ژنو (UNIGE) ، سوئیس ، ابداع جدیدی را ارائه کرده اند. نمونه اولیه باتری: که با عنوان "حالت جامد" شناخته می شود ، این پتانسیل را دارد که ضمن حفظ ایمنی و قابلیت اطمینان بالا ، انرژی بیشتری ذخیره کند. علاوه بر این ، باتری مبتنی بر سدیم است ، جایگزینی ارزان برای لیتیوم. جزئیات بیشتر این تحقیق را در مجله Energy and Environmental Science بخوانید.

برای کارکرد باتری ، باید دارای سه جزء اصلی زیر باشد: یک آند (قطب منفی) ، یک کاتد (قطب مثبت) و یک الکترولیت. اکثر باتری هایی که امروزه در تجهیزات الکترونیکی ما استفاده می شوند بر پایه یون لیتیوم هستند. هنگامی که باتری شارژ می شود ، یون های لیتیوم از کاتد خارج شده و به سمت آند حرکت می کنند. برای جلوگیری از تشکیل دندریت های لیتیوم-نوعی استالاگمیت میکروسکوپی که می تواند باعث ایجاد اتصال کوتاه در باتری شود که ممکن است باعث آتش سوزی شود-آند در باتری های تجاری از گرافیت ساخته شده است تا لیتیوم فلزی ، حتی اگر این فلز فوق سبک باشد. افزایش میزان ذخیره انرژی

محققان Empa و UNIGE بر روی مزایای باتری جامد برای مقابله با افزایش تقاضا از بازارهای نوظهور و ساخت باتری با عملکرد بهتر تمرکز کردند: شارژ سریعتر همراه با افزایش ظرفیت ذخیره سازی و ایمنی بیشتر. باتری آنها از یک جامد به جای الکترولیت مایع استفاده می کند که امکان استفاده از یک آند فلزی را با جلوگیری از تشکیل دندریت ها ، و ذخیره انرژی بیشتر در عین تضمین ایمنی را ممکن می سازد.

باتری سدیم جامد غیرقابل اشتعال

"اما ما هنوز باید یک رسانای یونی جامد مناسب پیدا می کردیم که علاوه بر غیر سمی بودن ، از نظر شیمیایی و حرارتی پایدار باشد و به سدیم اجازه می دهد به راحتی بین آند و کاتد حرکت کند ،" توضیح می دهد. هانس هاگمن ، استاد گروه شیمی فیزیک در دانشکده علوم UNIGE. محققان دریافتند که یک ماده مبتنی بر بور ، یک کلوتو بوران ، یون های سدیم را قادر می سازد تا آزادانه گردش کنند. علاوه بر این ، از آنجایی که کولو بوران یک رسانای معدنی است ، خطر آتش گرفتن باتری هنگام شارژ شدن را از بین می برد. این یک ماده است ، به عبارت دیگر ، دارای خواص امیدوار کننده متعدد است.

مشکل ایجاد ارتباط نزدیک بین سه لایه باتری بود: آند ، متشکل از سدیم فلزی جامد. کاتد ، مخلوط اکسید سدیم کروم ؛ و الکترولیت ، بسته بوران ، می گوید: لئو دوچن ، محقق آزمایشگاه تبدیل مواد برای انرژی Empa و دانشجوی دکترا در گروه شیمی فیزیکی در دانشکده علوم UNIGE. محققان قبل از افزودن پودر اکسید کروم سدیم ، بخشی از الکترولیت باتری را در حلال حل کردند. پس از تبخیر حلال ، آنها کامپوزیت پودر کاتد را با الکترولیت و آند روی هم چیده و لایه های مختلف را فشرده کرده و باتری را تشکیل می دهند.

سپس محققان Empa و UNIGE باتری را آزمایش کردند. آرندت رمهوف ، محقق در Empa و رهبر پروژه ، می گوید: "پایداری الکتروشیمیایی الکترولیت مورد استفاده ما در اینجا می تواند سه ولت را تحمل کند ، در حالی که بسیاری از الکترولیت های جامد که قبلاً مورد مطالعه قرار گرفته اند در همان ولتاژ آسیب می بینند." که توسط بنیاد ملی علوم سوئیس (SNSF) و مرکز شایستگی سوئیس برای تحقیقات انرژی در زمینه ذخیره گرما و برق (SCCER-HaE) پشتیبانی می شود. دانشمندان همچنین باتری را بیش از 250 چرخه شارژ و تخلیه آزمایش کردند ، پس از آن 85 capacity از ظرفیت انرژی هنوز کار می کرد. محققان می گویند اما قبل از عرضه باتری به بازار به 1200 دور نیاز دارد. علاوه بر این ، ما هنوز باید باتری را در دمای اتاق آزمایش کنیم تا بتوانیم تشکیل یا عدم ایجاد دندریت ها را تأیید کنیم ، در حالی که ولتاژ را حتی بیشتر افزایش می دهیم. آزمایشات ما هنوز ادامه دارد. €

انتشار: Léo Duchêne ، و همکاران ، battery باتری پایدار 3 ولت سدیم یون با حالت جامد 3 ولت بر اساس الکترولیت بسته بورات ، Energy € انرژی و علوم محیط زیست ، 2017 ؛ DOI: 10.1039/C7EE02420G