R&D magazine
2020_282_09
Raziskovalci Carnegie Mellon so razvili dvojni prevodni kompozitni material, kombinacija polimera in ogljika z litijevimi mikro delci, ki bi jih lahko uporabili kot elektrodo pri baterijah nove generacije.
Raziskovalci z univerze College of Science in College of Engineering v Carnegie Mellonu so razvili poltekočo litijevo kovinsko anodo, ki predstavlja novo smer na področju razvoja baterij. Litijeve baterije, izdelane s pomočjo tega novega tipa elektrode, bi lahko imele večjo zmogljivost in bi bile veliko varnejše od tipičnih litijevih baterij na osnovi trdne kovine, ki kot anodo uporabljajo litijevo folijo.
Interdisciplinarna raziskovalna skupina je ta svoja odkritja objavila v zadnji številki publikacije Joule.
Litijeve baterije so ena izmed najpogostejših vrst polnilnih baterij, ki se danes uporabljajo v sodobni elektroniki zaradi njihove sposobnosti shranjevanja velikih količin energije. Tradicionalno so te baterije izdelane iz gorljivih tekočih elektrolitov in dveh elektrod, anode in katode, ki sta ločeni z membrano. Ko se baterija večkrat napolni in izprazni, lahko na površini elektrode zrastejo prameni litija, imenovani dendriti. Dendriti se lahko prebijejo skozi membrano, ki ločuje obe elektrodi. To omogoča stik med anodo in katodo, kar lahko povzroči kratek stik baterije, kar je v najslabšem primeru lahko vzrok požara.
“Vključitev kovinske litijeve anode v litij-ionske baterije ima teoretični potencial, da dobimo baterijo z veliko večjo zmogljivostjo kot jo ima baterija z grafitno anodo,” je dejal Krzysztof Matyjaszewski, profesor naravoslovnih znanosti na oddelku za kemijo. univerze Carnegie Mellon. “Toda naša najpomembnejša naloga je, da zagotovimo, da bo baterija, ki jo bomo ustvarili, varna.”
Ena izmed predlaganih rešitev za tekoče elektrolite, ki se uporabljajo v današnjih baterijah je njihova nadomestitev s trdnimi keramičnimi elektroliti. Ti elektroliti so visoko prevodni, negorljivi in dovolj močni, da se upirajo dendritom. Vendar so raziskovalci ugotovili, da stik med keramičnim elektrolitom in trdno litijevo anodo ni dovolj za shranjevanje in oskrbo z dovolj veliko količino energije, ki je potrebna za večino elektronike.
Sipei Li, doktorski študent na oddelku za kemijo Carnegie Mellon in Han Wang, doktorski študent na oddelku za materiale na univerzi Carnegie Mellon, sta to pomanjkljivost uspela premagati z ustvarjanjem novega razreda materialov, ki jih bo mogoče uporabiti kot poltekočo kovinsko anodo.
V sodelovanju z Matyjaszewskim iz univerze Mellon College of Science, ki je vodilni na področju polimerne kemije in znanosti o materialih in Jayom Whitacrejem, skrbnikom za energetiko na Inženirski fakulteti in direktorjem Inštituta Wilton E. Scott za energetske inovacije pri Carnegie Mellon, sta Li in Wang za shranjevanje in proizvodnjo energije ustvarila dvojno prevodno matriko iz polimera in ogljika, ki ima litijeve mikro delce znotraj materiala enakomerno porazdeljene. Matrica ostane tekoča pri sobni temperaturi, kar ji omogoča, da ustvari zadosten električen kontakt s trdnim elektrolitom. Z združevanjem poltekoče kovinske anode s trdnim keramičnim elektrolitom na so lahko celico polnili in praznili pri 10-krat večji gostoti toka kot celice s trdnim elektrolitom in tradicionalno trdno kovinsko anodo iz litijeve folije. Ta celica je imela tudi precej daljšo življenjsko dobo kot tradicionalne celice.
“Ta nov pristop je pripeljal do litijeve kovinske akumulatorske anode, ki je poltekoča in v primerjavi z navadno litijevo kovino zelo prevodna in zelo veliko obeta glede varnosti in boljših karakteristik delovanja na splošno. Uvajanje nekega popolnoma novega materiala, kot je ta, bi lahko privedlo do velikih sprememb pri izdelavi litijevih baterij za ponovno polnjenje, obenem pa si močno prizadevamo, da bi delovanje teh odkritij preizkusili v različnih baterijskih arhitekturah,” je dejal Whitacre.
Raziskovalci seveda verjamejo, da bi lahko njihova metoda imela daljnosežne učinke. Na primer, lahko bi ga uporabili za ustvarjanje baterij visoke zmogljivosti za električna vozila in specializirane baterije za uporabo v nosljivih napravah, ki potrebujejo veliko baterijsko prožnost. Verjamejo tudi, da bi se lahko njihove metode razširile prek litija še na druge sisteme baterij za ponovno polnjenje, vključno z natrijevimi kovinskimi baterijami in kalijevimi kovinskimi baterijami, ki bi jih bilo mogoče uporabiti za shranjevanje energije na nivoju električnega energetskega omrežja.
Vir:
- https://www.rdworldonline.com/researchers-develop-semi-liquid-metal-anode-for-next-generation-batteries/
- Objavila univerza Carnegie Mellon University, junij 2019
