В изцяло нов подход за правене на литиево-йонни батерии по-леки, по-безопасни и по-ефективни, учени от Станфордския университет и Националната ускорителна лаборатория SLAC на Министерството на енергетиката са преработили един от най-тежките компоненти на батерията – листове мед или алуминиево фолио, известно като токоприемници – така че те тежат с 80% по-малко и незабавно потушават всички пламнали пожари.
Ако бъде приета, казаха изследователите, тази технология може да отговори на две основни цели на изследването на батериите: разширяване на обхвата на движение на електрически превозни средства и намаляване на опасността лаптопи, мобилни телефони и други устройства да избухнат в пламъци. Това е особено важно, когато батериите се зареждат супер бързо, създавайки повече видове повреди на батерията, които могат да доведат до пожари.
Изследователският екип описа работата си в Nature Energy на 15 октомври 2020 г.
„Колекторът на ток винаги е бил смятан за мъртво тегло и досега не е бил успешно използван за увеличаване на производителността на батерията“, каза И Цуи, професор в SLAC и Станфорд и изследовател в Станфордския институт за материали и енергийни науки (SIMES), които ръководиха изследването.
„Но в нашето проучване правенето на колектора с 80% по-лек, увеличи енергийната плътност на литиево-йонните батерии – колко енергия могат да съхраняват при дадено тегло – с 16-26%. Това е голям скок в сравнение със средното увеличение от 3%, постигнато през последните години.â
В сравнение с колекторите на ток в днешните литиево-йонни батерии, нова версия, проектирана от учени от Станфорд и SLAC, прави батериите по-леки, по-енергийно ефективни и по-безопасни. Може също така да намали разходите чрез замяна на медта с по-евтин полимер и чрез намаляване на разходите за транспортиране на батерии за рециклиране. Кредит: Грег Стюарт/Национална ускорителна лаборатория SLAC
Отчаяно търсещи загуба на тегло
Независимо дали идват под формата на цилиндри или торбички, литиево-йонните батерии имат два токоприемника, по един за всеки електрод. Те разпределят тока, протичащ в или извън електрода, и съставляват 15% до 50% от теглото на някои мощни или ултратънки батерии. Намаляването на теглото на батерията само по себе си е желателно, позволявайки по-леки устройства и намалявайки теглото, което електрическите превозни средства трябва да мъкнат наоколо; съхраняването на повече енергия за дадено тегло позволява както на устройствата, така и на електромобилите да работят по-дълго между зарежданията.
Намаляването на теглото и запалимостта на батерията също може да окаже голямо влияние върху рециклирането, като направи транспортирането на рециклирани батерии по-евтино, каза Куи.
Изследователи в производството на батерии се опитват да намалят теглото на колекторите на ток, като ги направят по-тънки или по-порести, но тези опити са имали нежелани странични ефекти, като правене на батериите по-крехки или химически нестабилни или изискващи повече електролит, което повишава цената , каза Юшенг Йе, постдокторантски изследовател в лабораторията на Куия, който проведе експериментите с гостуващия учен Лиен-Янг Чоу.
Що се отнася до въпроса за безопасността, той каза: „Хората също са опитвали да добавят забавител на огъня към електролита на батерията, който е запалимата част, но можете да добавите толкова много, преди да стане вискозен и вече да не провежда добре йони.“ ½
Проектиране на сандвич от полимерно фолио
След мозъчна атака на проблема, Cui, Ye и студентът Yayuan Liu проектират експерименти за създаване и тестване на токоприемници на базата на лек полимер, наречен полиимид, който е устойчив на огън и издържа на високите температури, създадени от бързото зареждане на батерията. Забавител на огъня - трифенил фосфат, или TPP - беше вграден в полимера, който след това беше покрит върху двете повърхности с ултратънък слой мед. Медта не само ще върши обичайната си работа за разпределяне на ток, но също така ще защити полимера и неговия забавител на огъня.
Тези промени намалиха теглото на токоотвода с 80% в сравнение с днешните версии, каза Йе, което означава увеличение на енергийната плътност от 16-26% в различни видове батерии и той провежда ток също толкова добре, колкото и обикновените колектори без деградация.
Когато бяха изложени на открит пламък от запалка, торбичките батерии, направени с днешните търговски токоприемници, се запалиха и горяха енергично, докато целият електролит изгори, каза Йе. Но в батериите с новите колектори, забавящи горенето, огънят никога не е тръгвал наистина, създавайки много слаби пламъци, които изгасват в рамките на няколко секунди и не пламват отново, дори когато учените се опитват да го запалят отново.
Едно от големите предимства на този подход, каза Куи, е, че новият колектор трябва да бъде лесен за производство и също така по-евтин, защото замества част от медта с евтин полимер. Така че разширяването му за комерсиално производство, каза той, „трябва да е много изпълнимо.“ Изследователите са кандидатствали за патент през Станфорд и Куи каза, че ще се свържат с производителите на батерии, за да проучат възможностите.
Справка: „Свръхлеки и пожарогасителни токоприемници за високоенергийни и високобезопасни литиево-йонни батерии“ от Yusheng Ye, Lien-Yang Chou, Yayuan Liu, Hansen Wang, Hiang Kwee Lee, Wenxiao Huang, Jiayu Wan , Kai Liu, Guangmin Zhou, Yufei Yang, Ankun Yang, Xin Xiao, Xin Gao, David Thomas Boyle, Hao Chen, Wenbo Zhang, Sang Cheol Kim и Yi Cui, 15 октомври 2020 г., Nature Energy.
DOI: 10.1038/s41560-020-00702-8
Тази работа беше подкрепена от Службата за енергийна ефективност и възобновяема енергия на Министерството на енергетиката, Службата за технологии за превозни средства по програмата за оценка на клетките за екстремно бързо зареждане на литиево-йонни батерии (XCEL).
