Původně publikováno na Úřadu vědy Ministerstva energetiky USA. Department of Energy National Labs, SLAC, Stanford Education News

Přidáním polymerů a protipožární ochrany do sběračů proudu baterie je baterie lehčí, bezpečnější a asi o 20 % účinnější. Menlo Park, Kalifornie . — Ve zcela novém přístupu k tomu, aby lithium-iontové baterie byly lehčí, bezpečnější a účinnější, vědci ze Stanfordské univerzity a Národní akcelerátorová laboratoř SLAC ministerstva energetiky přepracovali jednu z nejtěžších součástí baterie – pláty měděné nebo hliníkové fólie známé jako proud. kolektory – takže váží o 80 % méně a okamžitě uhasí jakýkoli požár, který vzplane.

Pokud bude tato technologie přijata, řekli vědci, mohla by řešit dva hlavní cíle výzkumu baterií:prodloužení dojezdu elektrických vozidel a snížení nebezpečí, že notebooky, mobilní telefony a další zařízení vzplanou. To je zvláště důležité, když se baterie nabíjejí super-rychle, což vede k většímu počtu typů poškození baterie, které může vést k požáru.

Výzkumný tým popsal svou práci v Nature Energy dnes.

„Sběrač proudu byl vždy považován za mrtvou váhu a až dosud nebyl úspěšně využíván ke zvýšení výkonu baterie,“ řekl Yi Cui, profesor na SLAC a Stanfordu a výzkumník Stanfordského institutu pro materiálové a energetické vědy (SIMES). ), který vedl výzkum.

„V naší studii však zvýšení hmotnosti kolektoru o 80 % lehčího zvýšilo hustotu energie lithium-iontových baterií – kolik energie mohou uložit při dané hmotnosti – o 16–26 %. To je velký skok ve srovnání s průměrným 3% nárůstem dosaženým v posledních letech.“

Vědci ze Stanfordu a SLAC přepracovali proudové vodiče – tenké kovové fólie, které rozdělují proud do a z elektrod – aby byly lithium-iontové baterie lehčí, bezpečnější a účinnější. Nahradili celoměděný vodič, uprostřed, vrstvou lehkého polymeru potaženého ultratenkou mědí (vpravo nahoře) a vloženým retardérem hoření do polymerové vrstvy pro uhašení plamenů (vpravo dole). (Yusheng Ye/Stanford University)

De zoufale usiluje o hubnutí

Ať už mají lithium-iontové baterie formu válců nebo sáčků, mají dva sběrače proudu, jeden pro každou elektrodu. Distribuují proud tekoucí do elektrody nebo z elektrody a tvoří 15 % až 50 % hmotnosti některých vysoce výkonných nebo ultratenkých baterií. Snížení hmotnosti baterie je samo o sobě žádoucí, umožňuje lehčí zařízení a snižuje hmotnost, kterou musí elektrická vozidla vláčet; uložení většího množství energie na danou hmotnost umožňuje zařízení i elektromobilu delší dobu mezi nabíjením.

Snížení hmotnosti a hořlavosti baterií by také mohlo mít velký dopad na recyklaci tím, že by přeprava recyklovaných baterií byla levnější, řekl Cui.

Výzkumníci v průmyslu baterií se pokoušeli snížit hmotnost sběračů proudu tím, že je udělali tenčími nebo poréznějšími, ale tyto pokusy měly nežádoucí vedlejší účinky, jako je zvýšení křehkosti nebo chemicky nestabilní baterie nebo potřeba většího množství elektrolytu, což zvyšuje náklady. , řekl Yusheng Ye, postdoktorandský výzkumník v Cuiově laboratoři, který prováděl experimenty s hostujícím učencem Lien-Yang Chouem.

Pokud jde o otázku bezpečnosti, řekl:"Lidé také zkoušeli přidat do elektrolytu baterie retardér hoření, což je hořlavá část, ale můžete přidat jen tolik, než se stane viskózním a přestane dobře vodit ionty."

Přepracovaný sběrač proudu pro lithium-iontové baterie činí baterie lehčími, energeticky účinnějšími a bezpečnějšími. Mohlo by také snížit náklady nahrazením mědi levnějším polymerem a snížením nákladů na přepravu baterií k recyklaci. (Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory)

Návrh sendviče z polymerové fólie

Po brainstormingu problému Cui, Ye a postgraduální student Yayuan Liu navrhli experimenty pro výrobu a testování proudových kolektorů na bázi lehkého polymeru zvaného polyimid, který odolává ohni a odolává vysokým teplotám vznikajícím při rychlém nabíjení baterie. Do polymeru byl zabudován zpomalovač hoření – trifenylfosfát neboli TPP, který byl poté na oba povrchy potažen ultratenkou vrstvou mědi. Měď by nejen dělala svou obvyklou práci při distribuci proudu, ale také chránila polymer a jeho zpomalovač hoření.

Tyto změny snížily hmotnost sběrače proudu o 80 % ve srovnání s dnešními verzemi, řekl Ye, což znamená zvýšení hustoty energie o 16–26 % u různých typů baterií a vede proud stejně dobře jako běžné sběrače bez degradace.

Při vystavení otevřenému plameni se lithium-iontové pouzdrové baterie vyrobené s dnešními komerčními sběrači proudu (horní řada) vznítily a prudce hořely, dokud veškerý elektrolyt neshořel. Baterie s novými kolektory zpomalujícími hoření (spodní řada) produkovaly slabé plameny, které zhasly během několika sekund a znovu nevzplanuly, ani když se je vědci pokusili znovu zapálit. (Yusheng Ye/Stanford University)

Při vystavení otevřenému plameni ze zapalovače se vakové baterie vyrobené pomocí dnešních komerčních sběračů proudu vznítily a prudce hořely, dokud veškerý elektrolyt neshořel, řekl Ye. Ale v bateriích s novými nehořlavými kolektory se oheň ve skutečnosti nikdy nerozhořel, produkoval velmi slabé plameny, které zhasly během několika sekund a znovu nevzplanuly, ani když se jej vědci pokusili znovu zapálit.

Jednou z velkých výhod tohoto přístupu je podle Cui to, že nový kolektor by měl být snadno vyrobitelný a také levnější, protože část mědi nahrazuje levným polymerem. Takže jeho rozšíření pro komerční produkci by podle něj „mělo být velmi proveditelné“. Výzkumníci požádali o patent prostřednictvím Stanfordu a Cui řekl, že budou kontaktovat výrobce baterií, aby prozkoumali možnosti.

Tato práce byla podpořena Úřadem pro energetickou účinnost a obnovitelné zdroje energie DOE, Kancelář pro technologie vozidel v rámci programu eXtreme Fast Charge Cell Evaluation of Lithium-ion Batteries (XCEL).

Citace:  Yusheng Ye a kol., Přírodní energie , 15. října 2020 (10.1038/s41560-020-00702-8)

SLAC je pulzující multiprogramová laboratoř, která zkoumá, jak vesmír funguje v největším, nejmenším a nejrychlejším měřítku, a vynalézá výkonné nástroje používané vědci po celém světě. S výzkumem zahrnujícím částicovou fyziku, astrofyziku a kosmologii, materiály, chemii, bio- a energetické vědy a vědecké výpočty pomáháme řešit skutečné problémy a prosazovat zájmy národa.

SLAC provozuje Stanfordská univerzita pro USA Vědecký úřad ministerstva energetiky . Office of Science je jediným největším zastáncem základního výzkumu ve fyzikálních vědách ve Spojených státech a pracuje na řešení některých z nejnaléhavějších výzev naší doby.

Obrázky s laskavým svolením SLAC, Stanford Education News