„Батерията на всички твърди устройства“ предлага по-добра производителност и подобрена безопасност

ТЕМИ:
Технология на батериите, материалознание, Женевски университет
От УНИВЕРСИТЕТ В ЖЕНЕВА 24 НОЕМВРИ 2017 г.

Състав на твърдата натриева батерия. © Емпа

Навсякъде има телефони, лаптопи, електрически автомобили - батерии. И за да отговорят на очакванията на днешните потребители, тези батерии са все по -леки, по -мощни и проектирани да издържат по -дълго. Понастоящем най-важната технология за тези приложения е технологията на литиево-йонна батерия: но технологията е скъпа и съдържа запалима течност, която може да представлява опасност за безопасността, когато батерията е злоупотребена. За да задоволят нарастващото търсене от развиващите се пазари (например електрически автомобили и съхранение на възобновяема енергия), изследователи от Empa, Швейцарските федерални лаборатории за материалознание и технологии и Университета в Женева (UNIGE), Швейцария, са разработили нов прототип на батерията: известна като „всички в твърдо състояние“, тази батерия има потенциал да съхранява повече енергия, като същевременно поддържа високи нива на безопасност и надеждност. Освен това батерията е базирана на натрий, евтина алтернатива на лития. Прочетете за изследването по -подробно в списанието Energy and Environmental Science.

За да работи една батерия, тя трябва да има следните три ключови компонента: анод (отрицателният полюс), катод (положителният полюс) и електролит. Повечето батерии, използвани в нашето електронно оборудване днес, се основават на литиеви йони. Когато батерията се зареди, литиевите йони напускат катода и се придвижват към анода. За да се предотврати образуването на литиеви дендрити-вид микроскопичен сталагмит, който може да предизвика късо съединение в батерията, което може да причини пожар-анодът в търговските батерии е направен от графит, а не от метален литий, въпреки че този ултра лек метал би увеличете количеството енергия, което може да се съхранява.

Изследователите от Empa и UNIGE се фокусираха върху предимствата на „твърдата“ батерия, за да се справят с повишеното търсене от развиващите се пазари и да направят батериите с още по -добра производителност: по -бързо зареждане заедно с увеличен капацитет за съхранение и подобрена безопасност. Батерията им използва твърд, вместо течен електролит, който позволява използването на метален анод, като блокира образуването на дендрити, което прави възможно съхраняването на повече енергия, като същевременно се гарантира безопасността.

Негорима твърда натриева батерия

„Но все пак трябваше да намерим подходящ твърд йонни проводник, който, освен че е нетоксичен, беше химически и термично стабилен и това би позволило на натрия да се движи лесно между анода и катода“, обяснява Ханс Хагеман, професор в катедрата по физическа химия във Факултета на науките на UNIGE. Изследователите открили, че вещество на база бор, клозо-боран, позволява на натриевите йони да циркулират свободно. Освен това, тъй като клозо-боранът е неорганичен проводник, той премахва риска от запалване на батерията при презареждане. Това е материал, с други думи, с многобройни обещаващи свойства.

„Трудността беше установяването на близък контакт между трите слоя на батерията: анода, състоящ се от твърд метален натрий; катодът, смесен натриев хром оксид; и електролита, клозо-боранът “, заявява Лео Дюшен, изследовател в лабораторията на Empa за материали за преобразуване на енергия и докторант в катедрата по физическа химия на Факултета по наука на UNIGE. Изследователите разтварят част от електролита на батерията в разтворител, преди да добавят прах от натриев хром оксид. След като разтворителят се изпари, те натрупаха катодния прахов композит с електролита и анода, компресирайки различните слоеве, за да образуват батерията.

Впоследствие изследователи от Empa и UNIGE тестваха батерията. „Електрохимичната стабилност на електролита, който използваме тук, може да издържи три волта, докато много твърди електролити, предварително изследвани, са повредени при същото напрежение“, казва Арнд Ремхоф, изследовател в Empa и ръководител на проекта, който се подкрепя от Швейцарската национална научна фондация (SNSF) и Швейцарския компетентен център за енергийни изследвания за съхранение на топлина и електричество (SCCER-HaE). Учените също са тествали батерията над 250 цикъла на зареждане и разреждане, след което 85% от енергийния капацитет е все още функционален. „Но са необходими 1200 цикъла, преди батерията да може да бъде пусната на пазара“, казват изследователите. „В допълнение, все още трябва да тестваме батерията при стайна температура, за да можем да потвърдим дали се образуват дендрити или не, като същевременно увеличава напрежението още повече. Нашите експерименти все още продължават

Публикация: Léo Duchêne, et al., „Стабилна 3 V изцяло твърда натриево-йонна батерия на базата на електрозо от клозо-борат,“ Energy & Environmental Science, 2017; DOI: 10.1039/C7EE02420G