اخبار صنعت

طراحی جدید الکترولیت که می تواند عملکرد باتری های Li-ion را افزایش دهد

2021-08-03

تصویر ذره Si را نشان می دهد که توسط SEI غنی از LiF پوشانده شده است. اعتبار: چن و همکاران


اکثر باتری های لیتیوم یونی موجود (LIB) دارای آندهای گرافیتی هستند که ظرفیت آنها تقریبا 350 میلی آمپر ساعت (میلی آمپر ساعت) در گرم است. ظرفیت آندهای سیلیکونی تقریباً 10 برابر بیشتر از نمونه های گرافیتی آنها (حدود 2800 میلی آمپر ساعت در گرم) است و بنابراین می تواند از نظر تئوری توسعه باتری های فشرده تر و سبک تر بر پایه لیتیوم را امکان پذیر کند.

آندهای سیلیکونی علیرغم ظرفیت بالاتر ، تا به حال نتوانسته اند با آندهای گرافیتی رقابت کنند ، زیرا سیلیکون در حین کار باتری منبسط و منقبض می شود ، بنابراین لایه محافظ بیرونی آندها می تواند به راحتی در حین کار باتری ترک بخورد. در مقاله ای که اخیراً در Nature Energy منتشر شده است ، تیمی از محققان در دانشگاه مریلند کالج پارک و آزمایشگاه تحقیقات ارتش از طراحی الکترولیت جدیدی خبر داده اند که می تواند بر محدودیت های آندهای سیلیکونی موجود غلبه کند.
جی چن ، جی چن ، یکی از محققان برجسته که می گوید: "آندهای سیلیکونی و لایه های محافظ الکترولیت جامد (SEI) آنها در حین کار باتری آسانتر می شوند. در مورد مطالعه ، به Phys.org گفت.
SEI یک لایه محافظتی است که به طور طبیعی هنگام تماس ذرات آند با الکترولیت ایجاد می شود. این لایه به عنوان مانعی عمل می کند که از بروز واکنشهای بیشتر در داخل باتری جلوگیری می کند و آند را از الکترولیت جدا می کند.
اولگ بورودین ، ​​شیمیدان ارشد شرکت کننده در این مطالعه در آزمایشگاه تحقیقات ارتش ، گفت: "اگر این لایه محافظ در حین انبساط یا انقباض ذرات آند آسیب ببیند ، ذرات آند تازه در معرض واکنش مداوم با الکترولیت قرار می گیرند تا در حین دوچرخه سواری باتری تمام شود." Phys.org.
برای بیش از یک دهه ، گروه های تحقیقاتی در سراسر جهان سعی کرده اند بر مشکلات جلوگیری از استفاده از آندهای سیلیکون در LIB ها ، در درجه اول با طراحی SEI های انعطاف پذیر و آلی که با آندها گسترش می یابد ، غلبه کنند. با این حال ، بسیاری از راه حل هایی که آنها توسعه داده اند ، کاملاً بی اثر یا خفیف م provedثر بوده اند ، بنابراین تنها تا حدی از آسیب SEI جلوگیری می کند.


چونشانگ وانگ ، پروفسور گروه مهندسی شیمی و بیومولکولار و گروه شیمی و بیوشیمی دانشگاه مریلند (UMD) ، که همچنین مدیر UMD مرکز تحقیقات در مورد باتری های شدید است. "این محققان بیشتر با معرفی فرایندهای گران قیمت نانوساخت در سطح مواد Si کار می کردند. ما سعی کردیم با طراحی الکترولیت و SEI مربوطه برای آندهای با ظرفیت بالا به طور متفاوتی به این مشکل بپردازیم."

چن ، بورودین ، ​​وانگ و همکارانشان الکترولیت را طراحی کردند که می تواند عملکرد آندهای سیلیکونی کوچک شده در LIB ها را افزایش دهد و از آسیب به سد محافظ بیرونی آنها جلوگیری کند. در مقایسه با راه حل های پیشنهادی قبلی ، رویکرد آنها بطور قابل ملاحظه ای تخریب الکترولیت ها را به حداقل می رساند ، بنابراین دوچرخه سواری بسیار طولانی تری قبل از از دست دادن ظرفیت خود امکان پذیر می شود.

هدف نهایی مطالعه محققان شناسایی راه حل جامد و قطره ای بود که بتواند توسعه آندهای با ظرفیت بالا برای باتری های مبتنی بر Li را تسهیل کند. برای دستیابی به این هدف ، آنها الکترولیت ها را با استفاده از LiPF6 ، نمک پیشرفته و مخلوطی از حلالهای اتر طراحی کردند و یک لایه محافظ SEI غنی از LiF بسیار قوی تشکیل دادند.

"ساختار حلال ویژه (تعامل بین نمک و حلال) و شکاف وسیع بین تمایل به کاهش نمک و حلال ، تشکیل SEI غنی از LiF منحصر به فرد را در Si تقویت می کند که برای دوچرخه سواری با ظرفیت بالا بسیار مفید است. سه آند ، "اولگ توضیح داد. "الکترولیت ما طراحی کرده ایم که بدون نیاز به پردازش گران قیمت ، راه حلی را برای فناوری فعلی LIB فراهم می کند ، در حالی که پایداری دوچرخه سواری بالا و کارایی کولومبیک (CE) را که بی سابقه است حفظ می کند."

مطالعه اخیر چن ، بورودین ، ​​وانگ و همکاران آنها ثابت می کند که دستیابی به دوچرخه سواری خوب و CE بالا در LIBs حاوی آندهای سیلیکون در واقع امکان پذیر است و می توان آن را به سادگی با جایگزینی الکترولیت درون باتری ، که قبلاً استفاده شده بود ، بدست آورد. غیر عملی یا کاملاً غیرممکن تلقی می شود. همچنین اصل طراحی الکترولیت آنها می تواند از نظر تئوری برای تمام آندهای آلیاژی با ظرفیت بالا اعمال شود. در آینده ، این طرح می تواند باتری های با عملکرد بهتر لیتیوم را ایجاد کند که حاوی آندهای مبتنی بر مواد غیر از گرافیت هستند.

وانگ گفت: "یافته های ما به جهت جدیدی برای طراحی الکترولیت ها اشاره می کند و می تواند به تیم های تحقیقاتی در استفاده از مواد آند با ظرفیت بالا در LIB ها اطمینان خاطر دهد." گام های بعدی ما بهبود پنجره ولتاژ الکترولیت و تلاش برای مجوز فناوری است.