211service.com
Baterie litowo-jonowe 3M o większej pojemności
Do końca przyszłego roku inżynierowie z 3M , z siedzibą w St. Paul w stanie Minnesota, spodziewają się, że producenci baterii będą mieli gotowe nowe materiały i metody produkcji, które zwiększą pojemność akumulatorów litowo-jonowych o 30 procent. Te nowe metody rozwiążą również kwestie bezpieczeństwa związane z używaniem takich baterii w laptopach.
Niedawne przypadki wycofania baterii litowo-jonowych Sony do laptopów z powodu obaw, że mogą się one zapalić, dotyczyły baterii używanych w niektórych komputerach Dell i Apple i mogą obejmować nawet 9,6 miliona baterii do laptopów. Nic więc dziwnego, że chociaż Sony twierdzi, że zmiany zostały wprowadzone w fabrykach, które powinny zająć się problemem, wielu producentów stara się znaleźć bezpieczniejszą technologię. Jednak alternatywy dla konwencjonalnych akumulatorów litowo-jonowych zwykle wiążą się z kompromisami, takimi jak zwiększone koszty lub zmniejszona pojemność magazynowania energii (patrz Bezpieczniejsze akumulatory o większej pojemności i Jak przyszłe akumulatory będą trwać dłużej i będą bezpieczniejsze ).
Postęp 3M obejmuje nowe elektrolity i materiały elektrodowe. Chociaż oba materiały będą kosztować więcej niż konwencjonalne akumulatory litowo-jonowe, dodatkowa pojemność energetyczna materiałów elektrodowych powinna zrekompensować koszty poprzez obniżenie kluczowej miary ceny akumulatora, czyli kosztu watogodziny, mówi specjalista ds. badań 3M Mark Obrovac.
Firma zajmuje się bezpieczeństwem akumulatorów, ulepszając elektrolity, płyn wewnątrz akumulatorów litowo-jonowych, który przewodzi jony litu, ale blokuje elektrony, zmuszając je do przemieszczania się przez zewnętrzny obwód w celu zasilania urządzenia. W pewnych warunkach, na przykład gdy akumulator jest przeładowany, przegrzany lub ma wewnętrzne zwarcie spowodowane uszkodzeniem lub problemami produkcyjnymi, elektrolit może reagować chemicznie z materiałami w elektrodach akumulatora. W niektórych przypadkach bateria może eksplodować, rozpryskując elektrolit do otaczającego powietrza, gdzie może zapalić się jak miotacz ognia, mówi Obrovac.
Firma opracowała dodatki do istniejących elektrolitów, a także nowe elektrolity, które nie będą reagować z elektrodami. Rzeczywiście, pod wpływem otwartego płomienia bezpieczniejsze elektrolity nie zapalają się. Jako dodatkowy bonus, mówi kierownik techniczny ds. badań baterii w 3M, Doug Magnuson, nowe chemikalia działają lepiej w ekstremalnie niskich temperaturach, takich jak minus 40 stopni Celsjusza, w których inne elektrolity blokują przepływ jonów i skutecznie zmniejszają pojemność baterii o 80 do 90 procent. . Ta utrata pojemności jest obecnie kluczową przeszkodą w stosowaniu akumulatorów litowo-jonowych w pojazdach hybrydowych, które mogą być narażone na takie warunki. Nowe elektrolity umożliwiłyby swobodny przepływ jonów w tych temperaturach, potencjalnie ograniczając straty do około 40 procent pojemności, szacuje Obrovac.
Inżynierowie 3M twierdzą również, że nowe materiały elektrod poprawią pojemność energetyczną baterii o 30 procent. Na przykład firma zastępuje obecne materiały anodowe, oparte na graficie, anodą opartą na krzemie, która powinna podwoić ilość jonów litu, które anoda może przechowywać. Pojemność akumulatorów litowo-jonowych jest ograniczona ilością litu, jaką można przechowywać w elektrodach. Anody grafitowe mogą wymagać sześciu atomów węgla do przechowywania tylko jednego jonu litu. Elektrody zawierające metale i metaloidy, takie jak cyna lub krzem, mogą zawierać znacznie więcej jonów litu – na przykład prawie cztery jony na każdy atom krzemu – poprzez tworzenie stopów.
Ale takie elektrody były niepraktyczne, ponieważ materiał może pęcznieć trzykrotnie w stosunku do pierwotnej wielkości, ponieważ zawiera jony litu. Tak dramatyczne zmiany wielkości sieją spustoszenie w komórce, skracając jej żywotność.
Podejście firmy 3M zmniejsza stopień rozszerzania się anody poprzez zastosowanie krzemu amorficznego zamiast krzemu krystalicznego i połączenie go z materiałami obojętnymi, co pomaga ustabilizować system. Inżynierowie 3M opracowali również lepsze metody nakładania materiałów na folie, które są następnie zwijane w celu utworzenia cylindrycznej baterii. Obecnie optymalizują te metody pod kątem produkcji na dużą skalę.
Nowe materiały zmniejszają się, ale nie eliminują rozszerzania i kurczenia się, gdy jony wchodzą i wychodzą z anody. W rezultacie naukowcy opracowują nowe projekty baterii, które mogą amortyzować zmiany wielkości. Obrovac twierdzi, że te projekty, wraz z nowymi materiałami elektrod i elektrolitów, powinny być gotowe, aby producenci akumulatorów mogli zacząć wprowadzać je do swoich produktów w przyszłym roku.
Ted Miller, kierownik zaawansowanej technologii akumulatorów w Ford Motor , w Dearborn, MI, mówi, że odejście od grafitu na rzecz tego rodzaju anod jest, oprócz oferowania wzrostu wydajności, niezbędne do radzenia sobie z ekstremalnie zimnymi warunkami, na które mogą być narażone w zastosowaniach samochodowych. W takich warunkach ładowanie baterii może spowodować nagromadzenie litu metalicznego, czasami powodując wielomiesięczne uszkodzenie baterii w ciągu kilku minut. Odejście od grafitu zapobiegnie reakcjom prowadzącym do nagromadzenia litu i metalu, mówi Miller.
Jak dotąd komercyjnie używana jest tylko jedna anoda wykonana ze stopu: bateria firmy Sony o nazwie Nexelium, która wykorzystuje anodę wykonaną z cyny. Ale ta technologia zacznie pojawiać się coraz częściej, według naukowca z MIT Jeszcze-Ming Chiang . Mówi, że to bardzo logiczny kierunek dla firm zajmujących się bateriami.