От Джош Браун, Технологичен институт на Джорджия
Нарастващата популярност на литиево-йонните батерии през последните години натовари световното предлагане на кобалт и никел – два метала, които са неразделна част от сегашния дизайн на батериите – и доведе до скок на цените.
В опит да разработят алтернативни проекти за базирани на литий батерии с по-малка зависимост от тези оскъдни метали, изследователи от Технологичния институт на Джорджия разработиха обещаваща нова катодна и електролитна система, която замества скъпите метали и традиционния течен електролит с по-евтини флуориди на преходни метали и твърд полимерен електролит.
„Електродите, направени от флуориди на преходни метали, отдавна показват проблеми със стабилността и бърза повреда, което води до значителен скептицизъм относно способността им да се използват в батерии от следващо поколение“, каза Глеб Юшин, професор в Училището по материалознание и инженерство на Georgia Tech. „Но ние показахме, че когато се използват с твърд полимерен електролит, металните флуориди показват забележителна стабилност – дори при по-високи температури – което в крайна сметка може да доведе до по-безопасни, по-леки и по-евтини литиево-йонни батерии.“
В типичната литиево-йонна батерия енергията се освобождава по време на преноса на литиеви йони между два електрода – анод и катод, като катодът обикновено се състои от литий и преходни метали като кобалт, никел и манган. Йоните протичат между електродите през течен електролит.
За изследването, което беше публикувано на 9 септември в списанието Nature Materials и спонсорирано от Службата за научни изследвания на армията, изследователският екип изработи нов тип катод от активен материал от железен флуорид и твърд полимерен електролитен нанокомпозит. Железните флуориди имат повече от два пъти по-голям литиев капацитет от традиционните катоди на основата на кобалт или никел. Освен това желязото е 300 пъти по-евтино от кобалта и 150 пъти по-евтино от никела.
За да произведат такъв катод, изследователите разработиха процес за инфилтриране на твърд полимерен електролит в сглобяемия електрод от железен флуорид. След това те пресоват горещо цялата структура, за да увеличат плътността и да намалят всякакви празнини.
Две централни характеристики на базирания на полимер електролит са способността му да се огъва и да поема набъбването на железния флуорид по време на циклиране и способността му да образува много стабилна и гъвкава междинна фаза с железен флуорид. Традиционно това подуване и масивни странични реакции са били ключови проблеми при използването на железен флуорид в предишни дизайни на батерии.
„Катодите, направени от железен флуорид, имат огромен потенциал поради високия си капацитет, ниските разходи за материали и много широката наличност на желязо“, каза Юшин. "Но промените в обема по време на циклиране, както и паразитните странични реакции с течни електролити и други проблеми с разграждането, са ограничили употребата им преди. Използването на твърд електролит с еластични свойства решава много от тези проблеми."
След това изследователите тестваха няколко варианта на новите твърдотелни батерии, за да анализират тяхната производителност за повече от 300 цикъла на зареждане и разреждане при повишена температура от 122 градуса по Фаренхайт, отбелязвайки, че те превъзхождат предишните дизайни, използващи метален флуорид, дори когато те са били държани на хладно стайни температури.
Изследователите установиха, че ключът към подобрената производителност на батерията е твърдият полимерен електролит. При предишни опити за използване на метални флуориди се смяташе, че металните йони мигрират към повърхността на катода и в крайна сметка се разтварят в течния електролит, причинявайки загуба на капацитет, особено при повишени температури. В допълнение, металните флуориди катализират масивно разлагане на течни електролити, когато клетките работят над 100 градуса по Фаренхайт. Въпреки това, при връзката между твърдия електролит и катода такова разтваряне не се извършва и твърдият електролит остава забележително стабилен, предотвратявайки подобни деградации, пишат изследователите.
„Полимерният електролит, който използвахме, беше много често срещан, но много други твърди електролити и други архитектури на батерии или електроди – като морфологии на частици ядро-обвивка – би трябвало да могат по подобен начин драматично да смекчат или дори напълно да предотвратят паразитни странични реакции и да постигнат стабилна производителност характеристики", каза Константин Турченюк, изследовател в лабораторията на Юшин и съавтор на ръкописа.
В бъдеще изследователите се стремят да разработят нови и подобрени твърди електролити, за да позволят бързо зареждане, както и да комбинират твърди и течни електролити в нови дизайни, които са напълно съвместими с конвенционалните технологии за производство на клетки, използвани в големите фабрики за батерии.
