Новый подход может повысить энергетическую емкость литиевых батарей

Новый подход может повысить энергетическую емкость литиевых батарей

Исследователи во всем мире искали аккумуляторы, которые меньше и легче современных версий, что потенциально позволяет электромобилям путешествовать дальше или переносить электронику дольше без подзарядки. Теперь исследователи в Массачусетском технологическом институте и в Китае говорят, что они добились значительных успехов в этой области, выпустив новую версию ключевого компонента для катодов литиевых батарей.

Команда описывает их концепцию как «гибридный» катод, потому что он сочетает в себе аспекты двух разных подходов, которые использовались ранее, один для увеличения выработки энергии на фунт (гравиметрическая плотность энергии), другой для энергии на литр (объемная плотность энергии). Синергетическая комбинация, по их словам, создает версию, которая обеспечивает преимущества как того, так и другого.

Работа описана в журнале Nature Energy , в статье Джу Ли, профессора Массачусетского технологического института в Массачусетском технологическом институте и материаловедения и техники; Вэйцзян Сюэ, постдок MIT; и других.

В современных литий-ионных батареях обычно используются катоды (один из двух электродов в батарее), изготовленные из оксида переходного металла, но батареи с катодами из серы считаются многообещающей альтернативой для снижения веса. Сегодня разработчики литий-серных батарей сталкиваются с проблемой компромисса.

Катоды таких батарей обычно изготавливаются одним из двух способов, известных как интеркалирование или коверсия. Метод интеркалирования, в котором используются такие соединения, как оксид лития-кобальта, обеспечивают высокую объемную плотность энергии, что приводит к образованию большого количества перфораций на объем из-за их высокой плотности. Эти катоды могут сохранять свою структуру и размеры при включении атомов лития в свою кристаллическую структуру.

Другой катодный подход, называемый методом конверсии, использует серу, которая структурно преобразуется и даже временно растворяется в электролите. «Теоретически, эти [батареи] имеют очень хорошую плотность гравиметрической энергии», - говорит Ли. «Но объемная плотность низкая», отчасти потому, что они, как правило, требуют много дополнительных материалов, в том числе избыток электролита и углерода, используемых для обеспечения проводимости.

В своей новой гибридной системе исследователям удалось объединить два подхода в новый катод, который включает в себя как тип сульфида молибдена, называемого фазой Шевреля, так и чистую серу, которые вместе, по-видимому, используют лучшие аспекты обоих. Они использовали частицы двух материалов и сжали их, чтобы сделать твердый катод. «Это как праймер и тротил во взрывчатке, один быстродействующий а другой с большей энергией на вес», - говорит Ли.

По словам Ли, среди прочих преимуществ электрическая проводимость комбинированного материала относительно высока, что снижает потребность в углероде и снижает общий объем. По его словам, типичные серные катоды состоят из 20-30 процентов углерода, но новая версия требует только 10 процентов углерода.

Чистый эффект от использования нового материала является существенным. Сегодняшние коммерческие литий-ионные аккумуляторы могут иметь плотность энергии около 250 Вт-час на килограмм и 700 Вт-час на литр, тогда как литий-серные аккумуляторы расходуют около 400 Вт-час на килограмм, но только 400 Вт-час на литр. По словам Ли, новая версия в своем первоначальном виде, которая еще не прошла процесс оптимизации, может достигать более 360 ватт-часов на килограмм и 581 ватт-часов на литр. Он может побить как литий-ионные, так и литий-серные батареи с точки зрения сочетания этих плотностей энергии.

При дальнейшей работе, говорит он, «мы думаем, что можем достичь 400 ватт-часов на килограмм и 700 ватт-часов на литр», при этом последняя цифра будет равна литий-ионной. Команда уже пошла на шаг дальше, чем многие лабораторные эксперименты, направленные на разработку прототипа крупномасштабной батареи: вместо того, чтобы тестировать мелкие ячейки с емкостью всего несколько миллиампер-часов, они создали трехслойную ячейку-мешочек (стандарт подразделение в батареях для продуктов, таких как электромобили), емкостью более 1000 миллиампер-часов. Это сравнимо с некоторыми коммерческими батареями, что говорит о том, что новое устройство соответствует прогнозируемым характеристикам.

Пока что новый элемент не может полностью соответствовать сроку службы литий-ионных батарей с точки зрения количества циклов зарядки-разрядки, которые он может пройти, прежде чем потерять слишком много энергии, чтобы быть полезным. Но это ограничение не "проблема катода"; это связано с общим дизайном ячейки, и «мы работаем над этим», говорит Ли. Даже в его нынешней ранней форме, по его словам, «это может быть полезно для некоторых нишевых применений, таких как беспилотник с большим радиусом действия», где вес и объем имеют большее значение, чем долговечность.

«Я думаю, что это новая арена для исследований», - говорит Ли.




Источник: sciencedaily.com

13:16
55
Нет комментариев. Ваш будет первым!