Prosty sposób na zwiększenie pojemności baterii

Elektrody akumulatorów litowo-jonowych, połączone ze sobą nowym, wysoce przewodzącym materiałem, mają znacznie większą pojemność – rozwój, który może ostatecznie zwiększyć zasięg samochodów elektrycznych i żywotność baterii do smartfonów bez zwiększania ich kosztów. W przeciwieństwie do wielu elektrod o dużej pojemności opracowanych w ciągu ostatnich kilku lat, można je wytwarzać przy użyciu sprzętu znajdującego się już w dzisiejszych fabrykach akumulatorów.

Spoiwo baterii: Ten obraz mikroskopowy przedstawia elektrodę silikonową przed ładowaniem (po lewej) i po 32 cyklach. Nowe spoiwo utrzymuje cząsteczki blisko siebie.

Kluczem jest rozciągliwe, wysoce przewodzące spoiwo polimerowe, które może być używane do łączenia krzemu, cyny i innych materiałów, które mogą magazynować dużo energii, ale które są zwykle niestabilne. Naukowcy z Lawrence Berkeley National Laboratory starannie zaprojektowali to nowe spoiwo polimerowe i wykorzystali je do wykonania anody krzemowej do akumulatora litowo-jonowego o pojemności 30 procent większej niż obecnie dostępne na rynku. Jest również bardziej stabilny w czasie niż wcześniej opracowane elektrody.

Gdy akumulator litowo-jonowy jest ładowany, jony litu są pobierane przez jedną z elektrod, zwaną anodą. Im więcej litu może pomieścić anoda, tym więcej energii może zmagazynować bateria. Krzem jest jednym z najbardziej obiecujących materiałów anodowych: może pomieścić 10 razy więcej litu niż grafitu, z którego wytwarza się anody w akumulatorach litowo-jonowych dostępnych obecnie na rynku. Grafit wchłania lit jak gąbka, zachowując swój kształt, ale krzem jest bardziej jak balon, mówi Gao Liu , naukowiec w Dziale Technologii Energetyki Środowiskowej Berkeley Lab.

Ponieważ jednak anody krzemowe pęcznieją i kurczą się, zmieniając swoją objętość trzy- lub czterokrotnie podczas ładowania i rozładowywania, pojemność baterii z czasem maleje. Po kilku rundach ładowania i rozładowania wkrótce cząstki krzemu nie mają ze sobą kontaktu, co oznacza, że ​​anoda nie może przewodzić prądu, mówi Liu.

Jednym z podejść do problemu jest zbudowanie tych anod w zupełnie inny sposób, na przykład wyhodowanie kudłatych szyków krzemowych nanodrutów, które mogą się zginać, pęcznieć i poruszać, gdy lit wchodzi i wychodzi. To podejście jest komercjalizowane przez Amprius, startup z Palo Alto w Kalifornii. Jednak uprawa nanoprzewodów wymaga nowych procesów, które zwykle nie są wykorzystywane w produkcji baterii.

Dzisiejsze anody są wytwarzane przez malowanie zawiesiny cząstek grafitu na bazie rozpuszczalnika połączonych spoiwem, co jest prostym procesem, który zapewnia niskie koszty. Naukowcy z Berkeley uważają, że kluczem do tworzenia nowych materiałów do akumulatorów, takich jak krzem, jest trzymanie się tego procesu produkcyjnego. Oznaczało to wymyślenie gumowatego spoiwa, które przywierałoby do cząstek krzemu, pozostawałoby wysoce przewodzące w trudnym środowisku anody oraz rozciągało się i kurczyło podczas pęcznienia i opróżniania anody.

Większość prac nad zaawansowanymi bateriami koncentrowała się na materiałach aktywnych, ale przesunęliśmy te materiały do ​​granic możliwości, mówi Jurij Gogotsi , profesor inżynierii materiałowej na Uniwersytecie Drexel. Teraz ograniczają nas segregatory.

Czytając artykuły na temat spoiw do baterii krzemowych, Liu zauważył, że naukowcy popełniali fatalne błędy – na przykład wybierali polimery, które tracą przewodnictwo w warunkach panujących w anodzie. Współpracował z chemikami teoretycznymi, aby opracować listę polimerów o odpowiednich właściwościach elektrycznych do pracy. Gdy już go znaleźli, zmienili go, aby był bardziej lepki. Po opracowaniu i scharakteryzowaniu tego nowego materiału byli w stanie wyprodukować anody krzemowe przy użyciu konwencjonalnych procesów i przetestować je w akumulatorach.

Anody grupy Berkeley zostały przetestowane w ponad 650 cyklach ładowania. Utrzymują pojemność magazynową 1400 miliamperogodzin na gram — znacznie większą niż 300 lub więcej przechowywanych przez konwencjonalne anody. Pełne baterie zawierające anody przechowują około 30 procent więcej całkowitej energii niż komercyjna bateria litowo-jonowa. Zazwyczaj pojemność baterii wzrasta o około 5 procent rocznie, zauważa Liu. Mówi, że przetestowali spoiwo w innych anodach akumulatorowych, w tym wykonanych z cyny, które mają podobny potencjał i problemy, i że powinno działać z każdym tego rodzaju materiałami.

Pojemność przechowywania tych baterii jest prawie tak dobra, jak baterii wykonanych z czystych nanoprzewodów krzemowych bez spoiw Yi Cui , profesor inżynierii materiałowej na Stanford i jeden z założycieli Amprius. To imponujące, mówi, biorąc pod uwagę, że spoiwo nie przechowuje litu.

Grupa Liu współpracuje obecnie z naukowcami z 3M nad badaniami anod. 3M zwiększa skalę produkcji materiałów akumulatorowych na bazie krzemu, zaprojektowanych tak, aby nie rozszerzały się tak bardzo podczas ładowania, mówi Kevin Eberman, który opracowuje produkty z materiałów akumulatorowych w Elektronika 3M w St. Paul w Minnesocie. Ale żeby działały, kluczem jest dobry segregator. Firma dostarcza grupie Berkeley materiały do ​​testów. Liu mówi, że grupa Berkeley opatentowała segregatory i prowadzi rozmowy z kilkoma firmami na temat sposobów ich komercjalizacji.

ukryć