Gooey lekarstwo na podatne na pękanie baterie o dużej pojemności

Jeśli samochody elektryczne mają kiedykolwiek przejeżdżać setki mil między ładowaniami — ponieważ muszą konkurować z samochodami na gaz — ich akumulatory będą musiały przechowywać znacznie więcej energii. Niestety, kilka z najbardziej obiecujących materiałów do akumulatorów o dużej pojemności jest podatnych na pękanie w sposób, który skróciłby podróż zelektryfikowaną drogą.

Siły uzdrawiające: Pęknięcia powstałe w samoregenerującej się elektrodzie akumulatora po jej naładowaniu (góra) zaczynają ponownie uszczelniać po pięciu godzinach (dół). Elektrodę, mieszaninę mikrocząstek krzemu i samonaprawiającego się polimeru, zobrazowano za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego.

Teraz naukowcy z Uniwersytetu Stanforda wykazali, że zmieszanie jednego z tak obiecujących materiałów stosowanych w bateriach, mikrocząstek krzemu, z samonaprawiającymi się polimerami, pomaga zapobiegać uszkodzeniu trwalszej baterii. Twierdzą, że samonaprawiające się polimery mogą ustabilizować inne obiecujące, ale podatne na uszkodzenia materiały akumulatorowe.

Ujemna elektroda lub anoda samonaprawiającej się baterii łączy w sobie silikon z polimerami, które działają jak chemiczne zamki błyskawiczne, lecząc pęknięcia, które powstają podczas używania i ładowania baterii.

Samoregenerująca się elektroda akumulatorowa była do tej pory testowana z czystym metalicznym litem jako elektrodą dodatnią, ponieważ jej pojemność magazynowa jest znacznie większa niż jakiejkolwiek konwencjonalnej katody. Sama samoregenerująca się elektroda ma ośmiokrotnie większą pojemność niż anody węglowe w konwencjonalnym akumulatorze litowo-jonowym. W połączeniu z konwencjonalną katodą stworzy akumulator, który zmagazynuje około 40 procent więcej energii. W połączeniu z katodą o odpowiednio dużej pojemności całkowita akumulacja energii uległaby podwojeniu lub potrojeniu.

Podczas gdy poprzednie baterie silikonowe mogły być rozładowywane i ładowane tylko 10 razy przed awarią, samonaprawiająca się bateria wytrzymuje 100 cykli ładowania. Ale to wciąż za mało, przyznaje materiałoznawca ze Stanford Yi Cui . Musimy przejść do 500 cykli dla przenośnej elektroniki i kilku tysięcy dla pojazdów elektrycznych, mówi Cui.

Mimo to podejście Cui może zapewnić nowy kierunek dla obiecujących materiałów, które zostały zablokowane. Wskazuje to na sposób rozwiązania ogólnego problemu z wysokim - anody pojemnościowe, mówi Paul Braun , materiałoznawca z University of Illinois w Urbana-Champaign, który nie jest zaangażowany w prace.

Anody krzemowe pobierają duże ilości litu podczas ładowania baterii i uwalniają cały ten lit, gdy bateria jest używana. Takie anody mogą zmagazynować dużo energii na małej przestrzeni, ale ich duża pojemność jest wadą, jeśli chodzi o materiały, z których są wykonane: gdy duże ilości litu wchodzą i opuszczają baterię, krzem rozszerza się i kurczy, pękanie anod przy pierwszym użyciu; to samo dzieje się z anodami wykonanymi z cyny i germanu.

W celu stworzenia samoleczącej się baterii Cui współpracował z innym badaczem ze Stanford, Zhenan Bao , który wcześniej opracował samonaprawiającą się elektroniczną skórę opartą na rozciągliwym, lepkim polimerze (patrz Elektryczna skóra, która rywalizuje z prawdziwą rzeczą).

Zasilacz: To prototypowe ogniwo litowo-jonowe wykorzystuje samoregenerującą się krzemową elektrodę.

Kiedy polimer jest rozbity, spływa z powrotem. Grupa zmieszała niektóre przewodzące cząstki węgla, aby zapewnić, że polimer, który nie przewodzi, nie zakłóci przepływu prądu przez baterię. Ta lepka mieszanina została następnie połączona z mikrocząstkami krzemu w celu wytworzenia anody. Kiedy bateria jest ładowana i rozładowywana, krzem nadal rozszerza się, kurczy i pęka, ale polimer łączy wszystko z powrotem. Zwykle po pęknięciu anody traci się kontakt elektryczny, mówi Cui. Samonaprawiający się polimer ponownie wiąże uszkodzone części.

Istnieją inne sposoby radzenia sobie z tendencją do pękania krzemu. Grupa Cui eksperymentowała z nanostrukturalnymi formami krzemu, w tym z nanoprzewodami, które są w stanie wytrzymać obciążenie związane z ładowaniem i ładowaniem. Takie nanostrukturalne anody krzemowe są opracowywane przez Jeszcze , firma z Sunnyvale w Kalifornii, której współzałożycielem była firma Cui. Jednak naukowcy i firmy wciąż uczą się o tych nanomateriałach. Łatwo jest zdobyć małą fiolkę nanostrukturalnego krzemu, ale wyprodukowanie 50 czy 60 ton przy rozsądnych kosztach to duży problem, który nie został rozwiązany, mówi Braun.

Cui twierdzi, że połączenie mikrocząstek z leczniczym polimerem może być tańsze i bardziej praktyczne w przypadku akumulatorów o dużej pojemności niż metody wymagające drogich nanomateriałów. Mikrocząsteczki krzemu używane w demonstracji baterii samonaprawiających się można kupić w dużych ilościach i nie są one bardzo drogie.

Nancy sottos , naukowiec zajmujący się materiałami z University of Illinois w Urbana-Champaign, opracował jeszcze inne podejście: Sottos miesza kapsułki materiałów leczniczych z materiałami baterii. Jednym z takich materiałów jest bańka, która pęka, uwalniając przewodzący metal, który leczy połączenia elektryczne w uszkodzonym akumulatorze. Jej grupa dokonała wczesnych demonstracji słuszności koncepcji przy użyciu tej metody.

Yuegang Zhang , badacz baterii z Lawrence Berkeley National Laboratory, mówi, że samonaprawiające się spoiwo Stanforda jest obiecujące dla innych rodzajów materiałów o dużej pojemności, takich jak cyna. W swojej pracy Zhang zastosował inne podejście, mieszając nanostruktury cyny z rozciągliwym, mocnym, przewodzącym grafenem, aby utrzymać razem anody. Zwracając uwagę na niewielką liczbę razy, gdy baterie krzemowe Cui mogą być ładowane, mówi, że krzem nadal ma problemy, ale podoba mi się ten pomysł.

Teraz, gdy wykonali pierwszą demonstrację, Cui i Bao pracują nad poprawkami, które pozwolą ich samoregenerującej się baterii krzemowej przejść przez więcej cykli ładowania. Dopiero zaczynamy, mówi Cui.

ukryć