Новый дизайн литий-воздушной батареи может обеспечить гораздо больший запас хода по сравнению с литий-ионной батареей
КДжозеф Э. Хармон
|
Новая более безопасная батарея, прошедшая тысячу циклов в тестовой ячейке, может хранить гораздо больше энергии, чем обычные литий-ионные батареи.
На схеме показан элемент литий-воздушной батареи, состоящий из металлического литиевого анода, воздушного катода и твердого керамического полимерного электролита (CPE). При разряде и заряде ионы лития (Li+) перемещаются от анода к катоду, а затем обратно. (Изображение Аргоннской национальной лаборатории.)
Многие владельцы электромобилей мечтали о аккумуляторной батарее, которая могла бы проехать более тысячи миль без подзарядки. Исследователи из Иллинойского технологического института (IIT) и Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) разработали литий-воздушную батарею, которая может воплотить эту мечту в реальность.
Основным новым компонентом этой литий-воздушной батареи является твердый электролит вместо обычного жидкого. Аккумуляторы с твердыми электролитами не связаны с проблемой безопасности, поскольку жидкие электролиты, используемые в литий-ионных и других типах аккумуляторов, могут перегреться и загореться.
«Литий-воздушный аккумулятор имеет самую высокую расчетную плотность энергии среди всех аккумуляторных технологий, рассматриваемых для следующего поколения аккумуляторов, помимо литий-ионных». — Ларри Кертис, заслуженный научный сотрудник Аргонны
Что еще более важно, химический состав батареи с твердым электролитом потенциально может повысить плотность энергии в четыре раза по сравнению с литий-ионными батареями, что означает увеличение дальности пробега.
«Более десяти лет ученые в Аргонне и других местах работали сверхурочно, чтобы разработать литиевую батарею, которая использует кислород из воздуха, — сказал Ларри Кертис, почетный научный сотрудник Аргонны.
«Литий-воздушный аккумулятор имеет самую высокую прогнозируемую плотность энергии среди всех аккумуляторных технологий, рассматриваемых для следующего поколения аккумуляторов, помимо литий-ионных».
В предыдущих литий-воздушных конструкциях литий в литий-металлическом аноде перемещается через жидкий электролит, чтобы соединиться с кислородом во время разряда, образуя пероксид лития (Li 2 O 2 ) или супероксид (LiO 2 ) на катоде. Затем перекись или супероксид лития снова расщепляется на литий и кислород во время зарядки. Эта химическая последовательность сохраняет и высвобождает энергию по требованию.
«Химическая реакция для супероксида или пероксида лития включает только один или два электрона, хранящихся на молекулу кислорода, тогда как для оксида лития участвуют четыре электрона», — сказал аргоннский химик Рашид Амин.
Больше сохраненных электронов означает более высокую плотность энергии.
Литий-воздушная батарея, разработанная командой, является первой литий-воздушной батареей, в которой достигнута четырехэлектронная реакция при комнатной температуре. Он также работает с кислородом, поступающим с воздухом из окружающей среды. Возможность работы с воздухом позволяет избежать необходимости использования кислородных баллонов, что было проблемой более ранних конструкций.
Команда использовала множество различных методов, чтобы установить, что на самом деле происходит четырехэлектронная реакция. Одним из ключевых методов была просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) продуктов разряда на поверхности катода, которая была проведена в Аргоннском центре наноразмерных материалов, пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики США. Изображения ПЭМ предоставили ценную информацию о механизме четырехэлектронного разряда.
Прошлые литий-воздушные испытательные элементы имели очень короткий срок службы.
Команда установила, что этот недостаток не относится к их новой конструкции батареи, создав и проработав тестовую ячейку в течение 1000 циклов, продемонстрировав ее стабильность при многократном заряде и разряде.
Это исследование было опубликовано в последнем номере журнала Science. Аргоннские авторы включают Ларри Кертисса, Рашида Амина, Лей Ю, Цзянго Вэня, Тунчао Лю, Сянь-Хау Вана, Пола С. Редферна, Кристофера Джонсона и Халила Амина. Среди авторов из IIT Мохаммад Асади, Мохаммадреза Эсмаилирад и Ахмад Мосен Харзанди. Среди авторов из Иллинойсского университета в Чикаго Реза Шахбазиан-Яссар, Махмуд Тамадони Сарай, Наннан Шан и Ан Нго.
Исследование финансировалось Управлением автомобильных технологий Министерства энергетики США и Управлением основных энергетических наук через Объединенный центр исследований в области накопления энергии.
Об Аргоннском центре наноразмерных материалов
Центр наноразмерных материалов является одним из пяти научно-исследовательских центров Министерства энергетики США по наноразмерам, ведущих национальных пользовательских учреждений для междисциплинарных исследований в наномасштабе при поддержке Управления науки Министерства энергетики США. Вместе NSRC составляют набор дополнительных объектов, которые предоставляют исследователям самые современные возможности для изготовления, обработки, определения характеристик и моделирования наноразмерных материалов и представляют собой крупнейшие инвестиции в инфраструктуру Национальной инициативы по нанотехнологиям. Центры NSRC расположены в национальных лабораториях Министерства энергетики США в Аргонне, Брукхейвене, Лоуренсе Беркли, Ок-Ридже, Сандии и Лос-Аламосе. Для получения дополнительной информации о NSRC DOE, пожалуйста, посетите https://science.osti.gov/User-Facilit ies/User-Facilities-at-a- Гланс.
Объединенный центр исследований в области хранения энергии (JCESR) , Центр инноваций в области энергетики Министерства энергетики США, представляет собой крупное партнерство, объединяющее исследователей из многих дисциплин для преодоления критических научных и технических барьеров и создания новой революционной технологии хранения энергии. В число партнеров, возглавляемых Аргоннской национальной лабораторией Министерства энергетики США, входят национальные лидеры в области науки и техники из академических кругов, частного сектора и национальных лабораторий. Их совместный опыт охватывает весь спектр процессов разработки технологий, от фундаментальных исследований до разработки прототипов, разработки продуктов и доставки их на рынок.
Аргоннская национальная лаборатория занимается поиском решений насущных национальных проблем в области науки и техники.
Первая в стране национальная лаборатория, Аргонн, проводит передовые фундаментальные и прикладные научные исследования практически во всех научных дисциплинах. Исследователи Аргонны тесно сотрудничают с исследователями из сотен компаний, университетов, а также федеральных, государственных и муниципальных учреждений, чтобы помочь им решить их конкретные проблемы, укрепить научное лидерство Америки и подготовить нацию к лучшему будущему. Компания Argonne, в которой работают сотрудники из более чем 60 стран, управляется компанией UChicago Argonne, LLC для Управления науки Министерства энергетики США.
Управление науки Министерства энергетики США
Полимер, твердый электролит и литий-анодная батарея для улучшения кинетики – программа Army SBIR|STTR
Цель
Создание высокоэнергоемкой, надежной в будущем литий-ионной батареи, которая облегчает перенос заряда твердого электролита интерфейсы, высоковольтные катоды и литий-металлические аноды.
Описание
Более высокая плотность энергии может быть достигнута в основном за счет сочетания высоковольтных катодов большой емкости с литий-металлическими анодами. Чтобы обеспечить возможность использования катодных материалов нового поколения для повышенного напряжения с литий-металлическим анодом, можно нанести стабилизирующие катодные покрытия для улучшения межфазной структурной стабильности, уменьшения увеличения электрохимического импеданса и снижения термической деградации.
Кроме того, использование электролитов, которые могут выдержать испытания на проникновение без пламени и дыма, важно для разработки накопителей энергии на платформе, таких как воздушные и наземные транспортные средства. Литиевые аноды жизненно важны для повышения плотности энергии элемента из-за емкости / веса графитовых анодов, хотя однородное покрытие и электронная связь с электролитом нуждаются в улучшении.
Катоды с повышенным разрядным напряжением увеличат выходную энергию / количество перемещенных электронов, что лучше понять с помощью этого применения закона Ома: плотность энергии = (плотность тока * напряжение) * время.
Шпинель, оливин и другие высоковольтные катоды могут хранить большое количество ионов лития и разряжаться при повышенных напряжениях, что делает их первыми кандидатами. Твердоэлектролитные аккумуляторы — жизненно важная технология, которую необходимо разработать для удовлетворения требований энергетической безопасности для армии будущего.
Они могут выдерживать высокое напряжение элемента, что обеспечивает большую мощность и энергетические возможности, они механически прочнее, чем батареи с жидким электролитом, препятствуют образованию дендритов с помощью литиевого анода, повышая безопасность, и обладают высокой проводимостью, что обеспечивает высокие электрохимические характеристики.
Проблема с этими батареями с твердым электролитом заключается в повышенном сопротивлении переноса заряда на обеих поверхностях твердого тела между электролитом и электродами. Если можно улучшить перенос заряда на этих поверхностях и улучшить низкотемпературные характеристики твердого электролита.
Аккумулятор должен работать в широком диапазоне температур.
Этот STTR направлен на создание искусственных слоев на границе твердого электролита (SEI) с проводящими полимерами для преодоления унаследованных проблем переноса ионов через катодную и анодную поверхности. Эти сопротивления переносу заряда в значительной степени связаны с плохой связью между твердым электролитом и твердым электродом. Их улучшение будет способствовать увеличению срока службы, повышению мощности и более стабильной передаче заряда с литиевым анодом, что приведет к улучшению характеристик безопасности.
Использование известных суперконденсаторов с электропроводящими полимерами (ECP), в частности поли(3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT), полипиррол (PPy), полианилин (PANI), хинон, полиацетилен и биологические производные, такие как лигнин/сульфированный лигнин Слои искусственного SEI / интерфейса катод-электролит (CEI) могут использовать проводящую природу полимера для облегчения переноса ионов.
Благодаря этим адаптациям эта батарея сможет в полной мере использовать унаследованные характеристики безопасности и накопления энергии батарей с твердым электролитом, а также, наконец, изменить вопросы внутреннего сопротивления, чтобы способствовать широкому применению батарей с высокой плотностью энергии.
Эта работа должна быть на уровне STTR. потому что зрелость этих химических процессов в настоящее время находится в стадии фундаментальных исследований.
Фаза I
Разработайте концептуальную ячейку для негорючего твердого электролита, которая оптимизирует гравиметрическую плотность энергии при повышенных напряжениях разряда и продлевает срок службы при сохранении емкости более 80%. Результаты этапа I включают ежемесячные отчеты о ходе работы, описывающие все технические проблемы, технические риски и прогресс в отношении графика, окончательный технический отчет и 10 лабораторных ячеек (монеты или мешочки) для армии США для тестирования.
Фаза II
Уточнение и оптимизация материалов на уровне элементов, выбранных на этапе I, а также разработка и поставка мешочных элементов в соответствии с целевыми требованиями к рабочим характеристикам элементов с повышенным разрядным напряжением, высокой плотностью энергии, приличным сроком службы > 80 % сохранения емкости при комнатной температуре и 75 % сохранение емкости при 0 °C по сравнению с емкостью при комнатной температуре.