Новата батерия може да преодолее основните недостатъци на литиево-въздушните батерии

ТЕМИ:
Технологии на батериите, материалознание, нанонауки, нанотехнологии, ядрени, популярни
От DAVID L. CHANDLER, МИТ НОВИНИ 26 ЮЛИ 2016

В нова концепция за катодите на батериите, частици в нанометров мащаб, направени от литиеви и кислородни съединения (изобразени в червено и бяло) са вградени в гъба като решетка (жълта) от кобалтов оксид, която ги поддържа стабилни.

Инженерите от MIT предлагат нов материал от литиево-кислородна батерия да бъде опакован в батерии, които са много подобни на конвенционалните запечатани батерии, но осигуряват много повече енергия за теглото им.

Литиево-въздушните батерии се считат за много обещаващи технологии за електрически автомобили и преносими електронни устройства поради техния потенциал да доставят висока енергия, пропорционално на теглото им. Но такива батерии имат някои доста сериозни недостатъци: те губят голяма част от инжектираната енергия като топлина и се разграждат сравнително бързо. Те също така изискват скъпи допълнителни компоненти за изпомпване на кислородния газ навътре и навън, в конфигурация с отворена клетка, която е много различна от конвенционалните запечатани батерии.

Но нов вариант на химията на батерията, който може да се използва в конвенционална, напълно запечатана батерия, обещава подобни теоретични характеристики като литиево-въздушните батерии, като същевременно преодолява всички тези недостатъци.

Новата концепция на батерията, наречена нанолитиева катодна батерия, е описана в списанието Nature Energy в статия на Джу Ли, професор по ядрени науки и инженерство в Батълския енергиен алианс в MIT; postdoc Zhi Zhu; и още пет други в MIT, Националната лаборатория Аргон и Пекинския университет в Китай.

Един от недостатъците на литиево-въздушните батерии, обяснява Ли, е несъответствието между напреженията, свързани с зареждането и разреждането на батериите. Изходното напрежение на батериите е с повече от 1,2 волта по -ниско от напрежението, използвано за зареждането им, което представлява значителна загуба на мощност, нанесена при всеки цикъл на зареждане. „Вие губите 30 % от електрическата енергия като топлина при зареждане. „Всъщност може да изгори, ако го заредите твърде бързо“, казва той.

Да останеш стабилен

Конвенционалните литиево-въздушни батерии черпят кислород от външния въздух, за да предизвикат химическа реакция с лития на батерията по време на цикъла на разреждане, а след това този кислород се освобождава отново в атмосферата по време на обратната реакция в цикъла на зареждане.

В новия вариант, същият вид електрохимични реакции протичат между литий и кислород по време на зареждане и разреждане, но те протичат, без никога да позволят на кислорода да се върне в газообразна форма. Вместо това кислородът остава вътре в твърдото вещество и се трансформира директно между трите му окислително -възстановителни състояния, докато е свързан под формата на три различни твърди химични съединения, Li2O, Li2O2 и LiO2, които се смесват заедно под формата на стъкло. Това намалява загубата на напрежение с фактор пет, от 1,2 волта до 0,24 волта, така че само 8 процента от електрическата енергия се превръща в топлина. „Това означава по -бързо зареждане за автомобили, тъй като отнемането на топлина от батерията е по -малко опасение за безопасността, както и ползи за енергийна ефективност“, казва Ли.

Този подход помага да се преодолее друг проблем с литиево-въздушните батерии: Тъй като химическата реакция, свързана с зареждането и разреждането, превръща кислорода между газообразни и твърди форми, материалът преминава през огромни промени в обема, които могат да нарушат пътищата на електрическа проводимост в структурата, което сериозно ограничава живота му .

Тайната на новата формулировка е създаването на малки частици в нанометрова скала (милиардни от метъра), които съдържат както литий, така и кислород под формата на стъкло, затворени плътно в матрица от кобалтов оксид. Изследователите наричат ​​тези частици нанолития. В тази форма преходите между LiO2, Li2O2 и Li2O могат да се осъществят изцяло в твърдия материал, казва той.

Нанолитичните частици обикновено биха били много нестабилни, така че изследователите ги вграждат в матрицата на кобалтовия оксид, подобен на гъба материал с пори само с няколко нанометра в диаметър. Матрицата стабилизира частиците и също действа като катализатор за техните трансформации.

Конвенционалните литиево-въздушни батерии, обяснява Ли, са „наистина литиево-сухи кислородни батерии, тъй като те наистина не могат да се справят с влагата или въглеродния диоксид“, така че те трябва да бъдат внимателно изчистени от входящия въздух, който захранва батерии. „Имате нужда от големи спомагателни системи за отстраняване на въглеродния диоксид и водата и това е много трудно да се направи.“ Но новата батерия, която никога не трябва да поема външен въздух, заобикаля този проблем.

Без презареждане

Новата батерия също е по своята същност защитена от презареждане, казва екипът, тъй като химическата реакция в този случай е естествено самоограничаваща се-при презареждане реакцията преминава в друга форма, която предотвратява по-нататъшна активност. „С типична батерия, ако я презаредите, тя може да причини необратими структурни повреди или дори да експлодира“, казва Ли. Но с нанолитичната батерия „ние сме презаредили батерията за 15 дни, до сто пъти по -голям от нейния капацитет, но изобщо нямаше щети“.

В тестовете за колоездене лабораторната версия на новата батерия беше подложена на 120 цикъла на зареждане-разреждане и показа по-малко от 2 % загуба на капацитет, което показва, че такива батерии могат да имат дълъг полезен живот. И тъй като такива батерии могат да бъдат инсталирани и експлоатирани точно като конвенционалните твърди литиево-йонни батерии, без никакви помощни компоненти, необходими за литиево-въздушна батерия, те биха могли лесно да бъдат адаптирани към съществуващите инсталации или конвенционалните батерии за автомобили, електроника, или дори съхранение на енергия в мащабна мрежа.

Тъй като тези „твърди кислородни“ катоди са много по-леки от конвенционалните катоди от литиево-йонна батерия, новият дизайн може да съхранява до два пъти повече енергия за дадено тегло на катода, казва екипът. И с по -нататъшно усъвършенстване на дизайна, казва Ли, новите батерии могат в крайна сметка отново да удвоят този капацитет.

Всичко това се постига без добавяне на скъпи компоненти или материали, според Li. Карбонатът, който използват като течен електролит в тази батерия, е най -евтиният вид електролит, казва той. Компонентът от кобалтов оксид тежи по -малко от 50 процента от компонента на нанолитията. Като цяло новата батерийна система е „много мащабируема, евтина и много по-безопасна“ от литиево-въздушните батерии, казва Ли.

Екипът очаква да премине от това лабораторно доказателство на концепцията към практически прототип в рамките на около година.

„Това е основополагащ пробив, който може да измести парадигмата на батериите на базата на кислород“, казва Xiulei Ji, асистент по химия в Държавния университет в Орегон, който не е участвал в тази работа. „В тази система търговският електролит на базата на карбонат работи много добре със солватирани супероксидни совалки, което е доста впечатляващо и може да е свързано с липсата на газообразен О2 в тази запечатана система. Всички активни маси на катода по време на колоездене са твърди, което представя не само голяма енергийна плътност, но и съвместимост с настоящата инфраструктура за производство на батерии. “

Изследователският екип включваше изследователите от MIT Акихиро Кушима и Зонгьо Ин; Лу Ци от Пекинския университет; и Халил Амине и Джун Лу от Националната лаборатория Аргон в Илинойс. Работата е подкрепена от Националната научна фондация и Министерството на енергетиката на САЩ.
Публикация: Zhi Zhu, et al., „Anion-redox nanolithia катоди за литиево-йонни батерии,“ Nature Energy 1, номер на артикул: 16111 (2016); doi: 10.1038/nenergy.2016.111