Průlom v bateriích posiluje elektrické lety a elektrická auta na dlouhé vzdálenosti

Původně publikováno Berkeley Lab

Nová technologie baterií vyvinutá v Berkeley Lab by mohla umožnit let elektrickým letounům s vertikálním vzletem a přistáním (eVTOL) a bezpečným nabíjením elektromobilů s dlouhým doletem

V honbě za dobíjecí baterií které mohou pohánět elektrická vozidla (EV) na stovky kilometrů na jedno nabití, vědci se snažili nahradit grafitové anody, které se v současnosti používají v bateriích EV, za lithiové kovové anody.

Ale zatímco lithium metal prodlužuje dojezd elektromobilu o 30–50 %, zkracuje také životnost baterie v důsledku lithiových dendritů, drobných stromovitých defektů, které se tvoří na lithiové anodě v průběhu mnoha cyklů nabíjení a vybíjení. A co je horší, dendrity zkratují články v baterii, pokud se dostanou do kontaktu s katodou.

Po celá desetiletí vědci předpokládali, že tvrdé, pevné elektrolyty, jako jsou ty vyrobené z keramiky, budou nejlépe fungovat, aby zabránily dendritům proniknout do článku. Ale problém s tímto přístupem, jak mnozí zjistili, je ten, že nezabránil tvorbě nebo „nukleaci“ dendritů, jako jsou drobné praskliny na čelním skle auta, které se nakonec rozšířily.

Nyní vědci z Národní laboratoře Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) na ministerstvu energetiky ve spolupráci s Carnegie Mellon University oznámili v časopise Nature Materials novou třídu měkkých, pevných elektrolytů – vyrobených z polymerů i keramiky – které potlačují dendrity. v této rané fázi nukleace, než se mohou rozšířit a způsobit selhání baterie.

Tato technologie je příkladem multidisciplinární spolupráce společnosti Berkeley Lab napříč jejími uživatelskými zařízeními s cílem vyvinout nové nápady pro sestavení, charakterizaci a vývoj materiálů a zařízení pro baterie v pevné fázi.

Technologie ukládání energie v pevné fázi, jako jsou lithiové kovové baterie v pevné fázi, které používají pevnou elektrodu a pevný elektrolyt, mohou poskytnout vysokou hustotu energie v kombinaci s vynikající bezpečností, ale tato technologie musí překonat různé problémy týkající se materiálů a zpracování.

Naše technologie potlačující dendrit má vzrušující důsledky pro průmysl baterií,“ řekl spoluautor Brett Helms, vědecký pracovník v Berkeley Lab’s Molecular Foundry. „Díky tomu mohou výrobci baterií vyrábět bezpečnější lithiové kovové baterie s vysokou hustotou energie a dlouhou životností.“

Helms dodal, že lithiové kovové baterie vyrobené s novým elektrolytem by mohly být také použity k pohonu elektrických letadel.

Měkký přístup k potlačení dendritů

Klíčem k návrhu těchto nových měkkých, pevných elektrolytů bylo použití měkkých polymerů s vnitřní mikroporézností neboli PIM, jejichž póry byly vyplněny keramickými částicemi o nano velikosti. Protože elektrolyt zůstává pružný, měkký, pevný materiál, budou výrobci baterií schopni vyrábět role lithiových fólií s elektrolytem jako laminát mezi anodou a separátorem baterie. Tyto podsestavy s lithiovou elektrodou nebo LESA jsou atraktivní náhradou za konvenční grafitovou anodu a umožňují výrobcům baterií využívat jejich stávající montážní linky, řekl Helms.

Tým Helms použil rentgenové záření v Advanced Light Source v Berkeley Lab k vytvoření 3D snímků rozhraní mezi lithiovým kovem a elektrolytem. (Kredit:Brett Helms/Berkeley Lab)

K demonstraci vlastností nového kompozitního elektrolytu PIM, které potlačují dendrity, použil tým Helms rentgenové paprsky v Advanced Light Source společnosti Berkeley Lab k vytvoření 3D snímků rozhraní mezi lithiovým kovem a elektrolytem a k vizualizaci lithiového pokovování a stripování. až 16 hodin při vysokém proudu. Když byl přítomen nový kompozitní elektrolyt PIM, byl pozorován nepřetržitý hladký růst lithia, zatímco v jeho nepřítomnosti rozhraní vykazovalo známky raných fází dendritického růstu.

Tyto a další údaje potvrdily předpovědi z nového fyzikálního modelu pro elektrolytické vylučování lithiového kovu, který bere v úvahu chemické i mechanické vlastnosti pevných elektrolytů.

V roce 2017, kdy byla konvenční moudrost, že potřebujete tvrdý elektrolyt, jsme navrhli, že nový mechanismus potlačení dendritů je možný s měkkým pevným elektrolytem,“ řekl spoluautor Venkat Viswanathan, docent strojního inženýrství a člen fakulty na Scott. Institute for Energy Innovation na Carnegie Mellon University, který vedl teoretické studie pro tuto práci. „Je úžasné najít materiální realizaci tohoto přístupu s PIM kompozity.“

Společnost 24M Technologies, držitel ceny v rámci programu IONICS agentury Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E), společnost 24M Technologies, integrovala tyto materiály do baterií většího formátu pro elektromobily i elektrická letadla s vertikálním vzletem a přistáním neboli eVTOL.

Přestože existují jedinečné požadavky na energii pro EV a eVTOL, technologie kompozitního pevného elektrolytu PIM se zdá být všestranná a umožňuje vysoký výkon,“ řekl Helms.

Na studii se podíleli výzkumníci z Berkeley Lab a Carnegie Mellon University.

Molecular Foundry a Advanced Light Source jsou uživatelská zařízení DOE Office of Science umístěná společně v Berkeley Lab.

Tato práce byla podporována agenturou Advanced Research Projects Agency–Energy (ARPA-E) a Úřadem pro vědu DOE. Dodatečné finanční prostředky poskytl úřad DOE Office of Workforce Development for Teachers and Scientists, což umožnilo vysokoškolským studentům účastnit se výzkumu prostřednictvím programu Science Undergraduate Laboratory Internships.

Nový Zéland testuje Wisk eVTOL Flying Taxi

Lawrence Berkeley National Laboratory, která byla založena v roce 1931 na základě přesvědčení, že největší vědecké výzvy nejlépe řeší týmy, a její vědci byli oceněni 13 Nobelovými cenami. Výzkumníci z Berkeley Lab dnes vyvíjejí udržitelná energetická a environmentální řešení, vytvářejí užitečné nové materiály, posouvají hranice výpočetní techniky a zkoumají záhady života, hmoty a vesmíru. Vědci z celého světa spoléhají na zařízení laboratoře pro vlastní objevy. Berkeley Lab je multiprogramová národní laboratoř spravovaná Kalifornskou univerzitou pro Úřad vědy Ministerstva energetiky USA.

Úřad pro vědu DOE je jediným největším zastáncem základního výzkumu ve fyzikálních vědách ve Spojených státech a pracuje na řešení některých nejnaléhavějších výzev naší doby. Další informace naleznete na adrese energy.gov/science.