naj kreativnite baterii za 2021 g

Най-креативните батерии за 2021 г

Сподели

С литиево-йонните батерии, които служат като машинно отделение за голяма част от съвременния свят, от телефони и лаптопи, до електрически автомобили и самолети, всеки научен пробив, който подобрява тяхната производителност, е важен. Някои от тях идват от постепенен напредък, който експериментира с алтернативни материали, например, докато други идват от повторното представяне на цялото устройство и начина, по който работят от самото начало. 2021 г. създаде звездна реколта от открития, които са резултат от изследователите, които мислят извън кутията по този начин. Нека да разгледаме най-креативните и интересни примери.

Отваряне за по-бързо зареждане

Учените са направили пробив, който може да доведе до зареждане на батерии за част от времето

Един от начините, по които учените се надяват да подобрят скоростта на зареждане на батериите, е чрез използване на порести структури за анода, един от двата му електрода. Това предлага по-голяма контактна площ с течния електролит, който транспортира литиеви йони и им позволява да дифундират по-лесно през материала, което потенциално прави батерии, които се зареждат много, много по-бързо.

През ноември разгледахме обещаващ нов подход към тази технология, като учени от Университета на Твенте изработиха анод от материал, наречен никелов ниобат. Това включва “отворена и редовна” кристална структура с идентични, повтарящи се канали, което го прави идеален за транспорт на йони.

Това беше разработено в пълна батерия, като учените откриха, че предлага ултра-бързи скорости на зареждане, 10 пъти по-бързи от днешните литиево-йонни батерии. Това беше значително подобрение на порестите материали, предложени досега в тази област, които се отличават с неорганизирани и произволни канали, които карат структурите да пропадат по време на зареждане и батерията да се повреди. Като подсладител изследователите посочват, че никеловият ниобат има по-висока обемна плътност от графита, използван за днешните аноди, което също може да доведе до търговски батерии, които са по-леки и по-компактни.

Връщане на литий от мъртвите

Реактивиране на острови на "мъртъв" литият може да увеличи обхвата на електрическите превозни средства и да осигури по-дълъг живот на батерията на електронните устройства
Реактивирането на острови от “мъртъв” литий може да увеличи обхвата на електрическите превозни средства и да осигури по-дълъг живот на батерията на електронните устройства

Когато батерията е циклична, литиеви йони пътуват напред-назад между двата електрода, но не всички от тях завършват пътуването през цялото време. Това води до образуването на електрохимично неактивни „острови“ от литий между тях, които остават изключени от електродите, като тези бучки причиняват спад в капацитета за съхранение на устройството или дори го карат да се запали.

В интересен напредък тази седмица учените от Станфордския университет измислиха начин не просто да неутрализират тези увреждащи бучки мъртъв литий, но да ги върнат към живот, за да подобрят производителността на батерията. Екипът установи, че чрез добавяне на напрежение с висок ток по време на презареждане този неактивен литий стимулира действието, карайки го да пълзи „като червей“ и да се свърже отново с електрода, увеличавайки живота на батерията с 30 процента.

Според екипа този пробив може да доведе до подобрени дизайни за бързо зареждащи се батерии или акумулаторни батерии с по-голям капацитет и продължителност на живота. Интересното е, че те отбелязват, че проблемът с мъртвия литиев остров е реален проблем за литиево-металните батерии от следващо поколение, които имат потенциала да задържат до 10 пъти повече енергия, така че пробивът може да доведе до нови решения, които отключват тази много обещаваща архитектура .

Батерия, оформена като BLT

Изследователите оприличават дизайна на батериите си с BLT сандвич
Изследователите оприличават дизайна на батериите си с BLT сандвич

Лиза Бъроуз/Харвард Сийз

Една от причините учените да виждат толкова голям потенциал в литиево-металните батерии е, че литиевият метал има много по-висок капацитет и енергийна плътност от графита и медта, използвани за анодите в днешните батерии. Това го позиционира като „свещен граал“ в очите на учения по материали от Харвард Син Ли, който през май представи нова батерия в стил сандвич, която би могла да преодолее някои от проблемите със стабилността, за да порази литиево-металните дизайни досега.

Тези проблеми със стабилността произтичат от игловидни издатини, наречени дендрити, които се образуват върху литиево-металния анод по време на зареждане, което води до намаляване на производителността на батерията и тя да се повреди или дори да се запали. Ли и неговите колеги се опитаха да преодолеят това, като заменят течния електролит на батерията с чифт твърди, които са наслоени заедно в сандвич в стил BLT и работят за безопасно контролиране и задържане на дендритите, докато се образуват.

Освен това батерията в стил сандвич е в състояние да запълни празнините, създадени от дендрити. При тестване екипът установи, че запазва 82 процента от капацитета си след 10 000 цикъла и най-обещаващо е демонстрира вида на плътността на тока, който може един ден да позволи на електрическите превозни средства да се зареждат в рамките на 20 минути.

Природата има ли отговор?

Учените са използвали целулозни нанофибрили, открити в дърво, като основа за нов електролит за батерии
Учените са използвали целулозни нанофибрили, открити в дърво, като основа за нов електролит за батерии

През октомври разгледахме друго интересно решение на проблемите със стабилността, свързани с литиево-металните батерии, с екип от учени в САЩ, които се обърнаха към природата за вдъхновение. Този пробив отново зависи от идеята за използване на твърд електролит, а не на течен за носене на заряда, като учените използват целулозни нанофибрили, извлечени от дърво, като отправна точка.

Тези микроскопични полимерни тръби бяха комбинирани с мед, за да образуват твърд йонен проводник, включващ малки отвори между полимерните вериги, които действаха като „йонни супермагистрали“, позволявайки на литиевите йони да пътуват с рекордна ефективност. Това означава, че материалът има проводимост между 10 и 100 пъти по-голяма от другите проводници на полимерни йони. Изследователите също така казват, че тъй като материалът е тънък като хартия и гъвкав, електролитът би могъл по-добре да понася напрежението от цикъла на батерията и да издържа на околната среда на литиево-метална архитектура.

Нов поглед върху стар дизайн

Учените са разработили прототипна батерия на основата на хлор с шест пъти по-голям капацитет от днешните литиево-йонни устройства
Учените са разработили прототипна батерия на основата на хлор с шест пъти по-голям капацитет от днешните литиево-йонни устройства

Станфордски университет/Гуанджоу Джу

Батериите с алкален метал и хлор съществуват от 70-те години на миналия век и предлагат висока енергийна плътност, но силно реактивният хлор означава, че те издържат само за еднократна употреба. През август учени от Станфордския университет измислиха начин да стабилизират тези реакции и всъщност да позволят този тип батерии с висока плътност да се презареждат.

Разтворът се състоеше от нов електроден материал, направен от порьозен въглерод, който поглъщаше непостоянните хлорни молекули и безопасно ги превръщаше обратно в натриев хлорид, първоначалната им форма преди разреждането. Този цикъл беше в състояние да се повтори до 200 пъти в експериментална батерия, предлагаща около шест пъти по-голяма плътност от днешната литиево-йонна технология.

По-малко е повече

Учени в САЩ са разработили нова литиево-метална батерия, която запазва функционалността си над 600 цикъла
Учени в САЩ са разработили нова литиево-метална батерия, която запазва функционалността си над 600 цикъла

Jie Xiao/Pacific Northwest National Laboratory

Ако не ставаше ясно, литиево-металните батерии са ключов фокус сред учените в това пространство и още през юни видяхме изследователи да ги извеждат на рекорден терен. Екипът се фокусира върху това, което е известно като интерфаза на твърдия електролит (SEI), което е тънък филм върху анода, който играе важна роля за поддържане на вратата, като контролира кои молекули влизат от електролита по време на цикъл.

Сложните реакции възникват около анода и влияят на производителността на SEI в настоящите проекти, но учени от Тихоокеанската северозападна национална лаборатория (PNNL) на Министерството на енергетиката на САЩ откриха ново решение под формата на много тънки ивици литий с ширина около 20 микрона, много по-тънък от човешка коса. Те бяха използвани като основа за анод с SEI, който взаимодейства по-здравословно с електролита, отколкото аноди с по-дебели ленти, които задушават важни електрохимични реакции.

Лявото изображение показва електролит (син), запълващ джоб в тънък литиев анод, създавайки ефективен SEI, виждан в зелено, в сравнение с по-дебел литиев анод с до голяма степен неефективен SEI
Лявото изображение показва електролит (син), запълващ джоб в тънък литиев анод, създавайки ефективен SEI, виждан в зелено, в сравнение с по-дебел литиев анод с до голяма степен неефективен SEI

Майк Пъркинс / Тихоокеанска северозападна национална лаборатория

Прототипната клетъчна батерия на екипа, включваща този анод, запазила 76 процента от капацитета си за рекордните 600 цикъла, с енергийна плътност от 350 Wh/kg. За справка, най-добрите в своя клас литиево-йонни батерии, използвани днес, имат плътност от 250 до 300 Wh/kg.

Като запълване на кухина

Метален електрод (текстурираният вътрешен кръг) се намира върху сив диск от твърд електролит, като на повърхността му започват да се образуват дендрити
Метален електрод (текстурираният вътрешен кръг) се намира върху сив диск от твърд електролит, като на повърхността му започват да се образуват дендрити

MIT

Още през март разгледахме друг интересен пример за батерия, която използва твърд електролит, а не течен, като се твърди, че дизайнът преодолява някои от ключовите пречки в тази област. Батерията включваше “полутвърд” електрод, изработен от натриево-калиеви сплави, оприличен от изследователите на материала, използван от зъболекарите за запълване на кухини, тъй като е твърд, но може да тече и да бъде формован.

Когато този материал влезе в контакт с твърдия електролит, той има точното количество отдаване в него, за да предотврати вида пукнатини, които биха се образували върху по-твърд и крехък електроден материал. Този самовъзстановяващ се материал предотвратява образуването на увреждащи дендрити и също така позволява много по-висока плътност на тока, отколкото другите твърдотелни батерии позволяват – около 20 пъти по-висока – проправя пътя за много по-високи скорости на зареждане.

.

Публикациите се превеждат автоматично с google translate

ajax loader


Сподели