Долговечные литий-металлические батареи - шаг вперед для электромобилей

Долговечные литий-металлические батареи - шаг вперед для электромобилей

Исследователи увеличили срок службы многообещающей батареи электромобиля до рекордного уровня, что является важным шагом на пути к цели создания более легких, менее дорогих и долговечных батарей для электромобилей будущего. О проделанной работе сообщается 28 июня в журнале Nature Energy.

Такие батареи - цель исследовательских групп во всем мире - рассматриваются как важная часть решения по уменьшению последствий изменения климата, и ученые изучают головокружительный набор различных вариантов.

Одно из решений видимых на горизонте - литий-металлический аккумулятор для электромобилей. Эти батареи содержат почти вдвое больше энергии, чем их широко используемые литий-ионные аналоги, и они легче. Эта комбинация предлагает заманчивую перспективу электромобиля, который будет легче и сможет проехать гораздо дальше без подзарядки. Но литий-металлические батареи в лаборатории страдают проблемой "преждевременной смерти", и их срок службы составляет лишь небольшую часть времени, по сравнению с сегодняшними литий-ионными батареями.

Теперь группа ученых из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США создала литий-металлическую батарею, рассчитанную на 600 циклов, что намного дольше, чем другие опубликованные результаты. Это означает, что его можно полностью зарядить и разрядить 600 раз, прежде чем он умрет.

Это большой шаг вперед для многообещающей технологии, но литий-металлическая технология еще не готова к использованию. Хотя литий-ионные батареи, используемые сегодня в электромобилях, содержат меньше энергии, они служат дольше, обычно предлагают не менее 1000 циклов. Конечно электромобиль не уедет так далеко на одной зарядки, как от эффективной литий-металлической батареи.

Новое исследование было проведено Инновационным центром DOE для Консорциума Battery500, объединением нескольких организаций под руководством PNNL по разработке аккумуляторов для электромобилей, которые легче, энергоемче и дешевле, чем те, которые используются в настоящее время. PNNL возглавляет консорциум и отвечает за интеграцию последних достижений партнерских организаций в устройства, известные как высокоэнергетические карманные ячейки, и за демонстрацию улучшенных характеристик в реальных условиях.

Металлический литий: тонкие полоски лития увеличивают срок службы

Команда PNNL нашла способ увеличить срок службы батареи, применив неожиданный подход. Вместо использования анодов с большим количеством лития, команда использовала невероятно тонкие полоски лития, шириной всего 20 микрон, что намного тоньше человеческого волоса.

«Многие люди думали, что более толстый литий позволит батарее работать дольше», - сказал Цзе Сяо, который вместе с Джун Лю, директором Консорциума Battery500, является автором статьи. «Но это не всегда так. Для каждой литий-металлической батареи существует оптимальная толщина в зависимости от энергии ее элемента и конструкции».

Литий-металлический аккумулятор, созданный командой Battery500, имеет плотность энергии 350 ватт-часов на килограмм (Втч/кг) - очень высокий, хотя не беспрецедентный показатель. Ценность новых результатов больше связана со сроком службы батареи. После 600 циклов батарея сохранила 76 процентов своей первоначальной емкости.

Всего четыре года назад экспериментальная литий-металлическая батарея могла проработать 50 циклов. Это быстро изменилось; два года назад команда PNNL выполнила 200 циклов - а теперь 600. Более того, батарея PNNL представляет собой карманный элемент, который более точно отражает реальные условия, чем купюрный элемент, менее реалистичный тип устройства, используемого во многих исследовательских проектах по аккумуляторным батареям.

Металлический литий: почему толщина имеет значение

Решение команды попробовать более тонкие литиевые полоски было основано на ее детальном понимании молекулярной динамики анода, как описано в статье Nature Energy.

Ученые обнаружили, что более толстые полоски напрямую способствуют выходу из строя батареи. Это связано со сложными реакциями вокруг пленки на аноде, известной как межфазная фаза твердого электролита, или SEI. SEI является побочным продуктом побочных реакций между литием и электролитом. Он действует как важный фильтр, который позволяет определенным молекулам переходить от анода к электролиту и обратно, удерживая при этом другие молекулы.

Это важная работа. SEI эффективно пропускает определенные ионы лития, но ограничивает нежелательные химические реакции, которые снижают производительность батареи и ускоряют выход элементов из строя.

Команда обнаружила, что более тонкие литиевые полоски способствуют созданию того, что можно было бы назвать хорошим SEI, в то время как более толстые полоски имеют больше шансов внести свой вклад в то, что можно было бы назвать вредным SEI. В своей статье исследователи используют термины «влажный SEI» и «сухой SEI». Влажная версия сохраняет контакт между жидким электролитом и анодом, что делает возможными важные электрохимические реакции.

Но в сухой версии жидкий электролит не достигает всего лития. Просто из-за того, что полоски лития толще, электролит должен стекать в более глубокие карманы лития, при этом другие части лития остаются сухими. Это предотвращает возникновение важных реакций, эффективно подавляя необходимые электрохимические реакции, и непосредственно способствует преждевременной смерти батареи.

Представьте, как на сковороде постепенно образуется слой жира, если ее не очищать тщательно после каждого использования. Со временем слой накапливается и действует как барьер, уменьшая поток энергии и делая поверхность менее эффективной. Точно так же нежелательный сухой слой SEI препятствует эффективной передаче энергии, необходимой внутри батареи.

Прогресс благодаря Battery500

Благодаря Консорциуму Battery500 был достигнут значительный прогресс в разработке литий-металлических батарей. Цель состоит в том, чтобы увеличить количество энергии, упакованной в долговечную, безопасную и доступную батарею. Больше энергии на фунт материала означает, что более легкий автомобиль может проехать дальше на одной зарядке. Батареи современных электромобилей составляют около 200-250 Втч / кг; Battery500 стремится к уровню заряда батареи 500 Втч / кг.

«Консорциум Battery500 добился большого прогресса в увеличении плотности энергии и продлении срока службы», - сказал выдающийся профессор М. Стэнли Уиттингем из Бингемтонского университета, лауреат Нобелевской премии по химии 2019 года и соавтор статьи. «Но еще многое предстоит сделать. В частности, необходимо решить проблемы безопасности, связанные с литий-металлическими батареями. Команда Battery500 упорно работает над решением этой проблемы».

Помимо Лю, Сяо и Уиттингема, в число авторов входят ученые PNNL Чаоцзян Ню, Дианиин Лю, Джошуа Лочала, Кэссиди Андерсон, Ся Цао, Марк Гросс, У Сюй и Цзи-Гуан (Джейсон) Чжан. Сяо и Лю также записались на прием в Вашингтонский университет.

 

21:29
296
Поделиться:
RSS
Нет комментариев. Ваш будет первым!
Загрузка...
Этот сайт использует файлы cookies, чтобы облегчить вам пользование нашим веб-сайтом. Продолжая использовать этот веб-сайт, вы даете согласие на использование файлов cookies. Подробнее о том, как мы пользуемся файлами cookies и как ими управлять, вы можете узнать нажав на ссылку ниже.

Похожие новости

Tesla запатентовала новый элемент батареи, который Элон Маск назвал «гораздо важнее, чем кажется».
Tesla запатентовала новый аккумуляторный элемент с табличным электродом
19:56
Bosch и CATL сотрудничают в области аккумуляторных батарей
CATL, один из ведущих мировых экспертов в области литий-ионных аккумуляторов
12:13
Tesla запатентовала новую более долговечную батарею.
с лучшей производительностью и более низкой стоимостью
15:38
Ученые разработали "дешевый и простой" метод извлечения лития из морской воды
Это означает, что стоимость водорода и хлора, производимых ячейкой, в конечном итоге компенсирует стоимость электроэнергии, а остаточная морская вода также может использоваться в опреснительных устано...
13:30
Tesla планирует использовать более дешевые кобальтовые литий-железо-фосфатные батареи без кобальта
В новом отчете говорится, что Tesla планирует использовать более дешевые китайские литий-железо-фосфатные батареи
11:48

Популярные обсуждения

Alectro
Автор: Alectro
Создана: 1 июня 2019 в 13:16
Раздел: Nissan
Сообщений в теме: 23
Просмотров: 34565
Иван Козар
Автор: Иван Козар
Создана: 29 июня 2019 в 10:29
Сообщений в теме: 26
Просмотров: 8150
Alectro
Автор: Alectro
Создана: 20 августа 2019 в 09:35
Сообщений в теме: 11
Просмотров: 7571

Вас может заинтересовать

Химия литиевых аккумуляторов формата 18650: отличия, преимущества и недостатки
Многие из пользователей юзают разнообразные перезаряжаемые источники питания — используют они их и для электротранспорта, и для вейпинга, и для повербанка, и для других целей. Но, довольно большое количество фанатов электронных гаджетов не знаю...
Какими должны быть качественные литий-ионные аккумуляторы 18650, лучшие производители
В этой теме я хочу поговорить об особенностях Li-ion аккумуляторов 18650, сделав акцент на качестве изделий.
Как проверить ёмкость литий-ионного аккумулятора формата 18650 с помощью мультиметра?
Никто не спорит, китайцы в огромнейших объёмах производят продукцию доступную широким массам. Но, как же нам всем надоели фейковые технические характеристики китайской аппаратуры относящейся к любой ценовой категории! Да, правда часто бывает неприятн...
10 лучших аккумуляторов 18650 с АлиЭкспресс
Электрические беспроводные девайсы на данный момент можно встретить практически где угодно, так как они пользуются неимоверной популярностью у всех слоёв населения. Современный человек просто не может представить себе жизнь без этих высокотехнологичн...

© 2021 НаТоке. Все права защищены