Původně publikováno Stanford | News Science
Od Marka Shwartze
Vědci ze Stanfordu navrhli nový elektrolyt pro lithiové kovové baterie, který by mohl zvýšit dojezd elektromobilů. Podívejte se na video níže.
Nový elektrolyt na bázi lithia, který vynalezli vědci ze Stanfordské univerzity, by mohl připravit cestu pro další generaci elektrických vozidel na baterie.
Test hořlavosti nového elektrolytu pro lithiové kovové baterie (s laskavým svolením Stanford ENERGY)
Ve studii zveřejněné 22. června v Nature Energy , Stanfordští vědci demonstrují, jak jejich nový design elektrolytu zvyšuje výkon lithiových kovových baterií, což je slibná technologie pro napájení elektrických vozidel, notebooků a dalších zařízení.
"Většina elektromobilů běží na lithium-iontové baterie, které se rychle blíží svému teoretickému limitu hustoty energie," řekl spoluautor studie Yi Cui, profesor materiálové vědy a inženýrství a fotonové vědy v SLAC National Accelerator Laboratory. "Naše studie se zaměřila na lithiové kovové baterie, které jsou lehčí než lithium-iontové baterie a mohou potenciálně dodat více energie na jednotku hmotnosti a objemu."
Lithium-iontové baterie, používané ve všem od smartphonů po elektromobily, mají dvě elektrody – kladně nabitou katodu obsahující lithium a záporně nabitou anodu obvykle vyrobenou z grafitu. Elektrolytový roztok umožňuje lithiovým iontům přemisťovat se tam a zpět mezi anodou a katodou, když se baterie používá a když se dobíjí.
Lithium-kovová baterie pojme asi dvakrát více elektřiny na kilogram než dnešní konvenční lithium-iontová baterie. Lithiové kovové baterie toho dosáhnou nahrazením grafitové anody lithiovým kovovým, který dokáže uložit podstatně více energie.
"Lithiové kovové baterie jsou velmi slibné pro elektrická vozidla, kde je hmotnost a objem velkým problémem," řekl spoluautor studie Zhenan Bao, K.K. Lee profesor na inženýrské škole. „Během provozu však lithiová kovová anoda reaguje s kapalným elektrolytem. To způsobuje růst lithiových mikrostruktur nazývaných dendrity na povrchu anody, což může způsobit vznícení a selhání baterie.“
Výzkumníci strávili desetiletí snahou řešit problém dendritů.
"Elektrolyt byl Achillovou patou lithiových kovových baterií," řekl spoluautor Zhiao Yu, postgraduální student chemie. "V naší studii používáme organickou chemii k racionálnímu navrhování a vytváření nových, stabilních elektrolytů pro tyto baterie."
V rámci studie Yu a jeho kolegové zkoumali, zda by mohli vyřešit problémy se stabilitou pomocí běžného, komerčně dostupného kapalného elektrolytu.
"Předpokládali jsme, že přidáním atomů fluoru do molekuly elektrolytu bude kapalina stabilnější," řekl Yu. „Fluor je široce používaný prvek v elektrolytech pro lithiové baterie. Využili jsme jeho schopnosti přitahovat elektrony k vytvoření nové molekuly, která umožňuje lithiové kovové anodě dobře fungovat v elektrolytu.“
Výsledkem byla nová syntetická sloučenina, zkráceně FDMB, kterou lze snadno vyrábět ve velkém.
"Návrhy elektrolytů jsou stále velmi exotické," řekl Bao. „Některé ukázaly dobrý slib, ale jejich výroba je velmi drahá. Molekula FDMB, se kterou přišel Zhiao, se snadno vyrábí ve velkém množství a je docela levná.“
Stanfordský tým testoval nový elektrolyt v lithiové kovové baterii.
Výsledky byly dramatické. Experimentální baterie si po 420 cyklech nabíjení a vybíjení zachovala 90 procent původního nabití. V laboratořích typické lithiové kovové baterie přestanou fungovat asi po 30 cyklech.
Výzkumníci také měřili, jak účinně se ionty lithia přenášejí mezi anodou a katodou během nabíjení a vybíjení, což je vlastnost známá jako "coulombická účinnost."
"Pokud nabijete 1 000 lithiových iontů, kolik jich získáte zpět po vybití?" řekl Cui. "V ideálním případě chcete 1 000 z 1 000 pro coulombickou účinnost 100 procent." Aby byl bateriový článek komerčně životaschopný, potřebuje coulombickou účinnost alespoň 99,9 procenta. V naší studii jsme získali 99,52 procent v polovičních buňkách a 99,98 procent v plných buňkách; neuvěřitelný výkon.“
Pro potenciální použití ve spotřební elektronice tým ze Stanfordu také testoval elektrolyt FDMB v bezanodových lithiových kovových pouzdrech – komerčně dostupných bateriích s katodami, které dodávají lithium k anodě.
"Myšlenka je použít lithium pouze na katodové straně ke snížení hmotnosti," řekl spoluautor Hansen Wang, postgraduální student v oboru materiálové vědy a inženýrství. "Bezanodová baterie běžela 100 cyklů, než její kapacita klesla na 80 procent - ne tak dobrá jako ekvivalentní lithium-iontová baterie, která může vydržet 500 až 1 000 cyklů, ale stále jeden z nejvýkonnějších bezanodových článků."
"Tyto výsledky jsou slibné pro širokou škálu zařízení," dodal Bao. „Lehké baterie bez anod budou atraktivní funkcí pro drony a mnoho další spotřební elektroniky.“
Americké ministerstvo energetiky (DOE) financuje velké výzkumné konsorcium nazvané Battery500, aby učinilo lithiové kovové baterie životaschopné, což by výrobcům automobilů umožnilo vyrábět lehčí elektrická vozidla, která dokážou na jedno nabití ujet mnohem delší vzdálenosti. Tato studie byla částečně podpořena grantem konsorcia, které zahrnuje Stanford a SLAC.
Vylepšením anod, elektrolytů a dalších komponent má Battery500 za cíl téměř ztrojnásobit množství elektřiny, které může dodat lithiová kovová baterie, z přibližně 180 watthodin na kilogram, když program začal v roce 2016, na 500 watthodin na kilogram. Vyšší poměr energie k hmotnosti neboli „specifická energie“ je klíčem k vyřešení úzkosti z dojezdu, kterou potenciální kupci elektromobilů často mívají.
"Bezanodová baterie v naší laboratoři dosáhla asi 325 watthodin na kilogram specifické energie, což je úctyhodné číslo," řekl Cui. „Naším dalším krokem by mohla být spolupráce s dalšími výzkumníky v Battery500 na výrobě článků, které se blíží cíli konsorcia 500 watthodin na kilogram.“
Kromě delší životnosti cyklu a lepší stability je elektrolyt FDMB také mnohem méně hořlavý než běžné elektrolyty, jak výzkumníci ukázali v tomto videu.
"Naše studie v podstatě poskytuje princip designu, který mohou lidé použít, aby přišli s lepšími elektrolyty," dodal Bao. "Právě jsme ukázali jeden příklad, ale existuje mnoho dalších možností."
Mezi další spoluautory ze Stanfordu patří Jian Qin , odborný asistent chemického inženýrství; postdoktorandi Xian Kong, Kecheng Wang, Wenxiao Huang, Snehashis Choudhury a Chibueze Amanchukwu; postgraduální studenti William Huang, Yuchi Tsao, David Mackanic, Yu Zheng a Samantha Hung; a vysokoškoláci Yuting Ma a Eder Lomeli. Xinchang Wang z univerzity Xiamen je také spoluautorem. Zhenan Bao a Yi Cui jsou starší kolegové ze Stanfordu Precourt Institute for Energy . Cui je také hlavním vyšetřovatelem v Stanfordský institut pro vědu o materiálech a energii , společný Výzkumný program SLAC/Stanford.
Tuto práci podpořil také program Battery Materials Research Program v DOE Office of Vehicular Technologies. Zařízení používané na Stanfordu podporuje Národní vědecká nadace.
„Test hořlavosti nového elektrolytu pro lithiové kovové baterie“, Doporučený obrázek Video ENERGY ze Stanfordu
