Преработените токови проводници повишават ефективността и безопасността на литиево-йонната батерия

ТЕМИ:
Технология на батерията, енергия, Национална ускорителна лаборатория SLAC, литиево-йонна батерия
От НАЦИОНАЛНА УСКОРИТЕЛНА ЛАБОРАТОРИЯ НА SLAC, 26 ОКТОМВРИ 2020 г.

Учени от Станфорд и SLAC преработиха токови проводници-тънки метални фолиа, които разпределят тока към и от електроди-за да направят литиево-йонните батерии по-леки, по-безопасни и по-ефективни. Те замениха изцяло медния проводник, среден, със слой от лек полимер, покрит с ултратънка мед (горе вдясно), и вградиха огнезащитни средства в полимерния слой, за да потушат пламъците (долу вдясно). Кредит: Yusheng Ye/Станфордския университет

Добавянето на полимери и огнеустойчивост към токоприемниците на батерията я прави по -лека, по -безопасна и с около 20% по -ефективна.

В изцяло нов подход за направата на литиево-йонните батерии по-леки, по-безопасни и по-ефективни, учени от Станфордския университет и Националната лаборатория за ускорители SLAC на Министерството на енергетиката реинженерираха един от най-тежките компоненти на батерията-листове мед или алуминиево фолио, известно като токосъбирачи - така те тежат 80% по -малко и незабавно гасят всички пожари, които се разпалват.

Изследователите казват, че ако бъде приета, тази технология би могла да реши две основни цели на изследванията на батериите: разширяване на обхвата на шофиране на електрически превозни средства и намаляване на опасността лаптопите, мобилните телефони и други устройства да избухнат в пламъци. Това е особено важно, когато батериите се зареждат супер бързо, създавайки повече от видовете повреда на батерията, които могат да доведат до пожари.

Изследователският екип описа работата си в Nature Energy на 15 октомври 2020 г.

„Настоящият колектор винаги се е смятал за мъртво тегло и досега не е бил успешно експлоатиран за увеличаване на производителността на батерията“, каза Yi Cui, професор в SLAC и Станфорд и изследовател от Станфордския институт по материали и енергийни науки (SIMES), които ръководиха изследването.

„Но в нашето проучване правенето на колектора с 80% по-лек увеличава енергийната плътност на литиево-йонните батерии-колко енергия могат да съхраняват в дадено тегло-с 16-26%. Това е голям скок в сравнение със средното увеличение от 3%, постигнато през последните години. “

В сравнение с настоящите колектори в днешните литиево-йонни батерии, нова версия, проектирана от учени от Stanford и SLAC, прави батериите по-леки, по-енергийно ефективни и по-безопасни. Това би могло също да намали разходите, като замени медта с по -евтин полимер и като намали разходите за транспортиране на батерии за рециклиране. Кредит: Грег Стюарт/Национална ускорителна лаборатория на SLAC

Отчаяно търси 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 ток, протичащ в или извън електрода, и представляват 15% до 50% от теглото на някои мощни или свръхтънки батерии. Бръсненето на теглото на батерията е желателно само по себе си, което дава възможност за по -леки устройства и намалява количеството на тежестта на електрическите превозни средства; съхраняването на повече енергия на дадено тегло позволява както на устройствата, така и на електромобилите да преминават по -дълго между зарежданията.

Намаляването на теглото на батерията и запалимостта също може да окаже голямо влияние върху рециклирането, като направи транспортирането на рециклирани батерии по -евтино, каза Cui.

Изследователите в батерийната индустрия се опитват да намалят теглото на токосъбирачите, като ги направят по -тънки или по -порести, но тези опити са имали нежелани странични ефекти, като например да направят батериите по -крехки или химически нестабилни или да изискват повече електролит, което повишава цената , каза Юшенг Йе, следдипломна изследователка в лабораторията на Куй, която провежда експериментите с гостуващия учен Лиен-Ян Чоу.

Що се отнася до въпроса за безопасността, той каза: „Хората също се опитаха да добавят огнезащитни средства към електролита на батерията, който е запалимата част, но можете да добавите само толкова много, преди да стане вискозен и вече да не провежда добре йони“. €

В проучване в Станфорд и SLAC, литиево-йонните батерии с торбички, направени с днешните търговски токосъбиратели (най-горния ред), се запалиха при излагане на открит пламък и изгаряха енергично, докато целият електролит изгори. Батериите с новите огнеупорни колектори (долния ред) произвеждат слаби пламъци, които изгасват в рамките на няколко секунди и не пламнаха отново, дори когато учените се опитаха да ги запалят отново. Кредит: Yusheng Ye/Станфордския университет

Проектиране на сандвич от полимерно фолио

След мозъчна атака на проблема, Cui, Ye и аспирантът Yayuan Liu са проектирали експерименти за създаване и тестване на токови колектори на базата на лек полимер, наречен полиимид, който е устойчив на огън и издържа на високите температури, създадени от бързото зареждане на батерията. Огнезащитен - трифенилфосфат или TPP - е вграден в полимера, който след това е покрит върху двете повърхности с ултра тънък слой мед. Медта не само ще свърши обичайната си работа по разпределяне на ток, но и ще защити полимера и неговия огнеупорник.
  
Тези промени намалиха теглото на токоприемника с 80% в сравнение с днешните версии, каза Йе, което води до увеличаване на енергийната плътност с 16-26% в различни видове батерии и токът се провежда също толкова добре, колкото и обикновените колектори без влошаване.

Когато са изложени на открит пламък от запалка, батериите в торбички, направени с днешните търговски токоприемници, се запалиха и изгаряха енергично, докато целият електролит изгори, каза Йе. Но в батериите с новите огнеупорни колектори огънят никога не е изгарял, произвеждайки много слаби пламъци, които изгаснаха за няколко секунди и не пламнаха отново, дори когато учените се опитаха да го запалят отново.

Едно от големите предимства на този подход, каза Cui, е, че новият колектор трябва да бъде лесен за производство, а също и по -евтин, защото замества част от медта с евтин полимер. Така че увеличаването му за търговско производство, каза той, „трябва да бъде много осъществимо.“ Изследователите са кандидатствали за патент през Станфорд, а Cui каза, че ще се свърже с производителите на батерии, за да проучи възможностите.

Справка: „Свръхлеки и токоуловители за високоенергийни и високобезопасни литиево-йонни батерии“ от Yusheng Ye, Lien-Yang Chou, Yayuan Liu, Hansen Wang, Hiang Kwee Lee, Wenxiao Huang, Jiayu Wan , Кай Лю, Гуанмин Чжоу, Юфей Ян, Анкун Ян, Син Сяо, Син Гао, Дейвид Томас Бойл, Хао Чен, Венбо Джан, Санг Чеол Ким и И Цуй, 15 октомври 2020 г., Nature Energy.
DOI: 10.1038/s41560-020-00702-8

Тази работа беше подкрепена от Службата за енергийна ефективност и възобновяеми енергийни източници на DOE в рамките на програмата eXtreme Fast Charge Cell Evaluation на литиево-йонни батерии (XCEL).