Новият дизайн може да позволи по-дълготрайни, по-мощни литиево-йонни батерии

ТЕМИ:
Батерия, технологии, енергия, литиево-йонна, MIT
От DAVID L. CHANDLER, MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY 26 МАРТ 2021

Използването на нов електролит може да позволи усъвършенствани метални електроди и по -високи напрежения, увеличавайки капацитета и живота на цикъла.

Литиево-йонните батерии направиха възможни леките електронни устройства, чиято преносимост сега приемаме за даденост, както и бързото разширяване на производството на електрически превозни средства. Но изследователите по целия свят продължават да натискат граници за постигане на все по-големи енергийни плътности-количеството енергия, което може да се съхранява в дадена маса материал-с цел подобряване на производителността на съществуващите устройства и потенциално да даде възможност за нови приложения като дронове и роботи на далечни разстояния.

Един обещаващ подход е използването на метални електроди вместо конвенционалния графит, с по -високо напрежение на зареждане в катода. Тези усилия обаче бяха възпрепятствани от различни нежелани химични реакции, които протичат с електролита, който разделя електродите. Сега екип от изследователи от MIT и другаде е открил нов електролит, който преодолява тези проблеми и би могъл да позволи значителен скок в мощността на тегло на батериите от следващо поколение, без да се жертва живота на цикъла.

Изследването е докладвано в списание Nature Energy в доклад на професорите от MIT Ju Li, Yang Shao-Horn и Jeremiah Johnson; postdoc Weijiang Xue; и още 19 в MIT, две национални лаборатории и другаде. Изследователите казват, че откритието може да направи възможно литиево-йонните батерии, които сега обикновено могат да съхраняват около 260 ват-часа на килограм, да съхраняват около 420 ват-часа на килограм. Това би довело до по-дълги диапазони за електрически автомобили и по-дълготрайни промени на преносимите устройства.

Изображенията с рентгенова томография, направени в Националната лаборатория в Брукхейвън, показват напукване на частица в един електрод на клетка от батерия, използваща конвенционален електролит (както се вижда отляво). Изследователите установяват, че използването на нов електролит предотвратява по -голямата част от това напукване (вдясно). Кредит: С любезното съдействие на изследователите

Основните суровини за този електролит са евтини (въпреки че едно от междинните съединения все още е скъпо, тъй като е в ограничена употреба), а процесът за неговото производство е прост. Така че този напредък може да бъде приложен сравнително бързо, казват изследователите.

Самият електролит не е нов, обяснява Джонсън, професор по химия. Той е разработен преди няколко години от някои членове на този изследователски екип, но за различно приложение. Това беше част от усилията за разработване на литиево-въздушни батерии, които се разглеждат като най-доброто дългосрочно решение за максимално увеличаване на енергийната плътност на батерията. Но все още има много препятствия пред развитието на такива батерии и тази технология може да е далеч години. Междувременно прилагането на този електролит към литиево-йонни батерии с метални електроди се оказва нещо, което може да се постигне много по-бързо.

Новото приложение на този електроден материал беше намерено „малко случайно“, след като първоначално беше разработено преди няколко години от Shao-Horn, Johnson и други, в съвместно начинание, насочено към разработване на литиево-въздушна батерия.

„Все още няма нищо, което да позволява добра акумулаторна литиево-въздушна батерия“, казва Джонсън. Въпреки това, „ние проектирахме тези органични молекули, които се надявахме да осигурят стабилност, в сравнение със съществуващите течни електролити, които се използват.“ Те разработиха три различни формулировки на базата на сулфонамиди, които според тях бяха доста устойчиви на окисляване и друго разграждане ефекти. След това, работейки с групата на Li, постдок Xue реши вместо това да изпробва този материал с по -стандартни катоди.

Типът електрод на батерията, който сега са използвали с този електролит, никелов оксид, съдържащ малко кобалт и манган, „е работният кон на днешната индустрия на електрически превозни средства“, казва Ли, който е професор по ядрена наука и инженерство и материалознание и инженерство.
 
Тъй като материалът на електрода се разширява и свива анизотропно, когато се зарежда и разрежда, това може да доведе до напукване и нарушаване на работата, когато се използва с конвенционални електролити. Но в експерименти в сътрудничество с Националната лаборатория на Брукхейвън изследователите установиха, че използването на новия електролит драстично намалява тези разграждания при напукване от корозия.

Проблемът е, че металните атоми в сплавта са склонни да се разтварят в течния електролит, като губят маса и водят до напукване на метала. За разлика от това, новият електролит е изключително устойчив на такова разтваряне. Разглеждайки данните от тестовете по Брукхейвън, Ли казва, че беше „нещо шокиращо да видим, че ако просто смените електролита, всички тези пукнатини са изчезнали.“ Те откриха, че морфологията на електролитния материал е много по -здрав и преходните метали „просто нямат толкова разтворимост“ в тези нови електролити.

Това беше изненадваща комбинация, казва той, защото материалът все още лесно позволява на литиевите йони да преминават през - основния механизъм, чрез който батериите се зареждат и разреждат - като същевременно блокира навлизането на други катиони, известни като преходни метали. Натрупването на нежелани съединения върху повърхността на електрода след много цикли на зареждане-разреждане е намалено повече от десет пъти в сравнение със стандартния електролит.

„Електролитът е химически устойчив срещу окисляване на високоенергийни материали, богати на никел, предотвратявайки счупването на частици и стабилизирайки положителния електрод по време на цикъл“, казва Шао-Хорн, професор по машиностроене и материалознание и инженерство. „Електролитът също така позволява стабилно и обратимо отстраняване и нанасяне на покритие от литиев метал, важна стъпка към активиране на акумулаторни литиево-метални батерии с енергия, два пъти по-голяма от тази на съвременните литиево-йонни батерии. Това откритие ще катализира по-нататъшното търсене на електролити и дизайна на течни електролити за литиево-метални батерии, съперничещи на тези с твърдотелни електролити. “

Следващата стъпка е да увеличите производството, за да го направите достъпно. „Ние го правим в една много лесна реакция от лесно достъпните търговски изходни материали“, казва Джонсън. В момента съединението -прекурсор, използвано за синтезиране на електролита, е скъпо, но той казва: „Мисля, че ако можем да покажем на света, че това е чудесен електролит за потребителската електроника, мотивацията за по -нататъшно увеличаване ще помогне за задвижването на цената е намалена. €

Тъй като това по същество е „заместител“ на съществуващ електролит и не изисква преработка на цялата батерийна система, казва Ли, тя може да бъде внедрена бързо и може да бъде пусната в продажба в рамките на няколко години. „Няма скъпи елементи, а само въглерод и флуор. Така че това не е ограничено от ресурси, а просто процесът “, казва той.

Справка: „Слоеви катоди, богати на ултрависоко напрежение, Ni, в практични Li метални батерии, активирани от електролит на сулфонамидна основа“ от Weijiang Xue, Mingjun Huang, Yutao Li, Yun Guang Zhu, Rui Gao, Xianghui Xiao, Wenxu Джан, Сипей Ли, Гуйин Сю, Ян Ю, Пенг Ли, Джефри Лопес, Дайвей Ю, Янхао Донг, Вейвей Фан, Чже Ши, Руй Ксионг, Ченг-Джун Сун, Инхуй Хуанг, Уа-Кийт Лий, Ян Шао-Хорн, Jeremiah A. Johnson and Ju Li, Nature Energy.
DOI: 10.1038/s41560-021-00792-y

Изследването е подкрепено от Министерството на енергетиката на САЩ и Националната научна фондация и използва съоръжения в Националната лаборатория Брукхейвън и Националната лаборатория Аргон.