Lepsze baterie litowo-jonowe

Trwają prace nad nowym wcieleniem akumulatorów litowo-jonowych na bazie stałych polimerów. Berkeley, start-up z siedzibą w Kalifornii Seeo, Inc . twierdzi, że jego ogniwa litowo-jonowe będą bezpieczniejsze, trwalsze, lżejsze i tańsze niż obecne baterie. Baterie Seeo wykorzystują cienkie warstwy polimeru jako elektrolit i lekkie elektrody o wysokiej gęstości energii. Lawrence Berkeley National Laboratory produkuje i testuje ogniwa zaprojektowane przez spinoff Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley.

Wytrzymały i kompaktowy: Ogniwa litowo-jonowe, które wykorzystują elektrolity polimerowe, można niedrogo pakować w kompaktowe, elastyczne woreczki (pokazane powyżej), zamiast spawanych laserowo metalowych pojemników stosowanych w obecnych ogniwach.

Baterie litowo-jonowe są używane w telefonach komórkowych i laptopach, ponieważ są mniejsze i lżejsze niż inne rodzaje baterii. Obiecują również dla pojazdów elektrycznych i hybrydowych. Jednak konwencjonalne materiały i chemia uniemożliwiły ich szerokie zastosowanie w samochodach.

Dzisiejsze akumulatory litowo-jonowe wykorzystują elektrody z tlenku litowo-kobaltowego i ciekły elektrolit, zazwyczaj sole litu rozpuszczone w rozpuszczalniku organicznym. Materiał elektrody może uwalniać tlen w przypadku przeładowania lub przebicia, powodując zapalenie się łatwopalnego rozpuszczalnika i eksplozję baterii. Poza tym naładowane elektrody bardzo reagują z ciekłym elektrolitem, co zmniejsza moc i [żywotność], mówi Khalil Amine , kierownik grupy zaawansowanych technologii akumulatorów w Argonne National Laboratory.

Kluczowym przełomem w Seeo jest stały elektrolit polimerowy. Nie jest łatwopalny, a zatem z natury bezpieczniejszy. Ponadto akumulator z czasem zachowa większą pojemność, ponieważ polimer nie reaguje z naładowaną elektrodą. Dane dotyczące żywotności sugerują, że konwencjonalne systemy litowo-jonowe tracą około 40 procent pojemności w 500 cyklach, mówi Mohit Singh, współzałożyciel Seeo. Otrzymujemy znacznie lepsze życie na rowerze. Możemy przejść przez 1000 cykli z utratą pojemności poniżej 5%.

W przypadku elektrody ujemnej lub anody elektrolit współpracuje również z foliami litowo-metalowymi, które są lżejsze niż obecne materiały anodowe. Oznacza to, że bateria może zapewnić więcej energii przy tej samej wadze. Na podstawie pojedynczego ogniwa akumulatora Seeo obliczył, że miałby gęstość energii do 300 watogodzin na kilogram, czyli o 50 procent większą niż dostępne obecnie na rynku akumulatory litowo-jonowe.

Baterie ze stałymi elektrolitami mają tę dodatkową zaletę, że są tańsze w produkcji, mówi Amine. Podczas gdy płynne elektrolity muszą być szczelnie zamknięte w spawanym laserowo metalowym pojemniku, elektrolity z tworzywa sztucznego mogą być pakowane w zgrzewane torebki.

Zalety materiałów polimerowych uzasadniają badania nad elektrolitami polimerowymi od ponad trzech dekad. W rzeczywistości baterie litowo-polimerowe znajdują się już w samochodach sterowanych radiowo i odtwarzaczach MP3. Używają jednak żelu polimerowego zawierającego rozpuszczalniki, więc podobnie jak płynne elektrolity niosą ze sobą ryzyko pożaru lub wybuchu i nie mają bardzo długiej żywotności.

Wytwarzanie stałych polimerów, które są tak samo przewodzące jak płynne elektrolity, było trudne. W ładowanym akumulatorze elektrolit przewodzi jony litu z elektrody dodatniej lub katody do anody. Im wyższa przewodność elektrolitu, tym szybciej ładuje się akumulator. St. Paul, z siedzibą w MN 3M oraz dostawca energii elektrycznej z siedzibą w Montrealu w Kanadzie Hydro-Quebec spędzili ponad 10 lat na litowo-polimerowych bateriach litowych. Ale trzeba operować polimerem w temperaturze 60 stopni Celsjusza, aby poprawić przewodność, mówi Amine. To nie jest zbyt praktyczne.

Problem polega na tym, że przewodność i wytrzymałość mechaniczna polimeru nie idą w parze. Singh mówi, że gdyby ludzie próbowali wytwarzać polimery o wysokiej przewodności jonowej, skończyliby z mazią.

Seeo poradziło sobie z tym problemem, tworząc folie z kopolimerów blokowych: materiałów zawierających dwa połączone łańcuchy polimerowe, które samoorganizują się w nanostruktury. Jeden z polimerów tworzy szereg przewodzących cylindrów osadzonych w drugim polimerze, który służy jako twarda matryca. Singh twierdzi, że warstwa elektrolitu jest wytrzymała i prawie tak samo przewodząca jak płynne elektrolity.

Technologia Seeo stała się bardzo atrakcyjna ze względu na twierdzenie, że jest to polimer o wysokiej przewodności, mówi Amine. Jednak anoda litowa może być przeszkodą. Lit ma tendencję do szorstkowania na powierzchni i tworzenia kryształowych dendrytów, które mogą dotrzeć do katody i spowodować zwarcie baterii. Firma będzie musiała przeprowadzić długoterminowe testy, aby wykazać, że jej polimer jest wystarczająco twardy, aby zablokować dendryty.

Elektrolity polimerowe mają również jedną dużą nieodłączną wadę. Singh mówi, że polimery zawsze będą ograniczone przez niższe przewodnictwo jonowe w porównaniu z cieczami. Oznacza to, że bateria Seeo byłaby ograniczona do użytku w laptopach i pojazdach elektrycznych. Ale te polimery nie byłyby w stanie sprostać aplikacjom szybkiego ładowania, takim jak pojazdy hybrydowo-elektryczne lub elektronarzędzia.

ukryć