Долговечные батареи с быстрой зарядкой необходимы для расширения рынка электромобилей, но сегодняшние литий-ионные батареи не отвечают потребностям – они слишком тяжелые, слишком дорогие и требуют слишком много времени для зарядки.

эксперимент с литиевой батареей – любезно предоставлено Second Bay Studios: Harvard SEAS

На протяжении десятилетий исследователи пытались использовать потенциал твердотельных литий-металлических батарей, которые содержат значительно больше энергии в том же объеме и заряжаются за меньшее время по сравнению с традиционными литий-ионными батареями.

«Литий-металлический аккумулятор считается святым Граалем в области химии аккумуляторов из-за его высокой емкости и плотности энергии», сказал Синь Ли, Доцент кафедры материаловедения Гарвардской школы инженерии и прикладных наук им. Джона А. Полсона (SEAS). «Но стабильность этих батарей всегда была плохой».

Теперь Ли и его команда разработали стабильную литий-металлическую твердотельную батарею, которую можно заряжать и разряжать не менее 10000 раз – гораздо больше циклов, чем было продемонстрировано ранее – при высокой плотности тока. Исследователи объединили новую конструкцию с коммерческим катодным материалом с высокой плотностью энергии.

Эта аккумуляторная технология может увеличить срок службы электромобилей до бензиновых – от 10 до 15 лет – без необходимости замены аккумулятора. Благодаря своей высокой плотности тока аккумулятор может проложить путь для электромобилей, которые могут полностью заряжаться в течение 10-20 минут.

ПОПУЛЯРНЫЙ: Поскольку за десятилетие цены на аккумуляторы для электромобилей упали на 87%, Tesla теперь создает автомобиль, который будет стоить 25000 долларов

«Наши исследования показывают, что твердотельная батарея может фундаментально отличаться от коммерческой литий-ионной батареи с жидким электролитом», – сказал Ли. «Изучая их фундаментальную термодинамику, мы можем раскрыть их превосходные характеристики и использовать их многочисленные возможности».

Большой проблемой с литий-металлическими батареями всегда была химия. Литиевые батареи перемещают ионы лития от катода к аноду во время зарядки. Когда анод изготовлен из металлического лития, на поверхности образуются игольчатые структуры, называемые дендритами. Эти структуры врастают в электролит и пробивают барьер, разделяющий анод и катод, вызывая короткое замыкание или даже возгорание батареи.

Чтобы преодолеть эту проблему, Ли и его команда разработали многослойную батарею, в которой между анодом и катодом размещены различные материалы разной стабильности. Эта многослойная батарея из разных материалов предотвращает проникновение дендритов лития не за счет их полной остановки, а за счет их контроля и сдерживания.

СВЯЗАННЫЕ С: Daimler Trucks теперь принимает заказы на полностью электрические грузовые автомобили, протестировав их на дорогах Америки

Как бутерброд BLT

Думайте о батарее как о бутерброде BLT. Сначала идет хлеб – металлический литий-анод – за ним следует салат – графитовое покрытие. Затем слой томатов – первый электролит – и слой бекона – второй электролит. Завершите его еще одним слоем помидоров и последним куском хлеба – катодом.

Предоставлено Second Bay Studios: Harvard SEAS

Первый электролит (химическое название Li5.5PS4.5Cl1.5 или LPSCI) более стабилен с литием, но склонен к проникновению дендритов. Второй электролит (Li10Ge1P2S12 или LGPS) менее стабилен с литием, но кажется невосприимчивым к дендритам. В этой конструкции дендритам позволяют прорастать через графит и первый электролит, но они останавливаются, когда достигают второго. Другими словами, дендриты прорастают через салат и помидоры, но останавливаются на беконе. Барьер для бекона не дает дендритам проталкиваться и закорачивать аккумулятор.

«Наша стратегия включения нестабильности для стабилизации батареи кажется нелогичной, но точно так же, как якорь может направлять и контролировать шуруп, врезающийся в стену, точно так же наше руководство по проектированию многослойных материалов может контролировать рост дендритов», – сказал Лухан Йе, соавтор. -автор статьи и аспирант SEAS.

«Разница в том, что наш якорь быстро становится слишком тугим, чтобы дендрит не мог просверлить отверстие, поэтому рост дендрита останавливается», – добавил Ли.

Аккумулятор тоже самовосстанавливающийся; его химический состав позволяет ему заполнять дыры, созданные дендритами.

ПРОВЕРИТЬ: Ученые разработали новый материал, чтобы сделать литий-ионные батареи самовосстанавливающимися и легко перерабатываемыми

«Эта экспериментальная конструкция показывает, что литий-металлические твердотельные батареи могут быть конкурентоспособными с коммерческими литий-ионными батареями», – сказал Ли. «А гибкость и универсальность нашей многослойной конструкции делает ее потенциально совместимой с процедурами массового производства в аккумуляторной промышленности. Масштабировать его до коммерческой батареи будет непросто, и все еще есть некоторые практические проблемы, но мы верим, что они будут преодолены ».

Исследование было опубликовано в Природа, и поддерживается Конкурсным фондом декана для перспективных стипендий Гарвардского университета и Фондом конкурентных исследований Гарвардской инициативы в области науки о данных.

ПРИСОЕДИНЯЙТЕСЬ к этой разработке своим друзьям-техническим специалистам в социальных сетях…




#Долговечный #твердотельный #литиевый #аккумулятор #от #Гарварда #может #решить #40летнюю #проблему

Source link