Твёрдый электролит для литиевых батарей разработали учёные из Австралии
Сотрудники Австралийского института пограничных материалов Дикина создали метод, дающий возможность применять обыкновенные промышленные полимеры в производстве твёрдых электролитов. Разработанная технология в перспективе приведёт к повышенной энергоёмкости Li-Ion накопителей. Помимо увеличенной практически в 2 раза плотности, аккумуляторы с твёрдым электролитом станут безопасными, избавившись от риска возгорания при перегреве.
Сейчас принцип работы литиевого энергоэлемента состоит в следующем: положительные катионы лития проводят электрозаряд через контур. Катионы полностью заряженной батареи располагаются на аноде и при активации цепи начинают перемещаться на катод, что в свою очередь приводит к образованию электричества. Соответственно, электрохимические процессы, происходящие в батареях, работают благодаря наличию жидкого растворителя — электролита. Его и предложили заменить австралийские исследователи. Пока что говорить о полностью рабочем методе рано — тестовые испытания только начинаются и группе исследователей предстоит проверить не один десяток факторов, прежде чем со 100 %-й уверенностью заявить, что замена жидкого электролита на твёрдый прошла успешно.
Однако учёные уже продемонстрировали то, что оптимизированный «сухой» электролит в состоянии поддерживать длительную и, самое главное, стабильную циркуляцию ионов Li в контуре батареи при высокой температуре.
Если дальнейшие испытания пройдут успешно, то, существующая на данный момент, максимальная плотность в 250 Вт/кг литиевого АКБ (используются в Tesla Model 3) возрастёт до 500 Вт/кг. И это при том, что будущий энергоноситель станет абсолютно безопасным для использования, даже в условиях критически высоких температур. А увеличенная плотность позволит проезжать более длинные расстояния (в случае с батареями электромобилей).
Источник
Создан стабильный натрий-ионный аккумулятор с твердым электролитом
Разработан новый твердый электролит для натрий-ионных аккумуляторов на основе бороводородов. С его помощью швейцарские ученые создали полностью твердый и стабильный аккумулятор с напряжением три вольта, сообщается в исследовании швейцарских ученых, опубликованном в журнале Energy & Environmental Science.
Большинство современных устройств, таких как смартфоны, ноутбуки и даже электромобили, используют в качестве источника энергии литий-ионные аккумуляторы. Их популярность обусловлена в первую очередь высокой емкостью. Но ученые рассматривают и другие материалы для создания аккумуляторов. Одним из перспективных материалов считается гораздо более дешевый натрий.
Натрий-ионные аккумуляторы устроены таким же образом, как и литий-ионные. Они состоят из анода и катода, разделенного электролитом, через который перемещаются ионы металла (лития или натрия). Во время разрядки ионы металла перемещаются к катоду, а электроны к аноду. Во время зарядки процессы идут в обратном направлении. Проблема таких аккумуляторов заключается в том, что металл может осаждаться на электрод неравномерно и образовывать дендриты — кристаллические отростки древовидной формы. Эти дендриты могут разрушать сепаратор, который отделяет анод от катода, из-за чего может произойти короткое замыкание, которое, в свою очередь, может вызвать возгорание или даже взрыв аккумулятора.
Ученые разрабатывают разные пути решения этой проблемы, в том числе аккумуляторы с твердым электролитом, который препятствует образованию дендритов. Исследователи под руководством Арндта Ремхофа (Arndt Remhof) из Швейцарского федерального исследовательского института материаловедения и технологий (Empa) решили совместить низкую стоимость сырья для натрий-ионных аккумуляторов и безопасность твердотельных электролитов. Для этого они разработали новый электролит с высокой проводимостью натриевых ионов, состоящий из клозобората Na 2(B 12H 12) 0.5(B 10H 10) 0.5.
На его основе они собрали аккумулятор с натриевым анодом и катодом из NaCrO 2. Для этого они спрессовали порошок электролита и порошок для катода, в который предварительно также добавили небольшую долю Na 2(B 12H 12) 0.5(B 10H 10) 0.5. К полученному материалу они добавили натриевую фольгу и собрали аккумуляторную ячейку. Исследователи протестировали ее электрохимические свойства, и выяснили, что ее напряжение составляет три вольта, емкость около 85 миллиампер-часов на грамм. При этом аккумулятор сохраняет около 80 процентов емкости после 250 циклов зарядки-разрядки в режиме пятичасового разряда (C/5).
В 2015 году американские физики создали более стабильный катод для натрий-ионных аккумуляторов на основе эльдфеллита, а недавно другая группа американских ученых разработала другой катод для аккумуляторов такого типа, который позволит достичь емкости, сравнимой с литий-ионными аккумуляторами при гораздо меньшей стоимости производства. Также недавно исследователи предложили новый метод борьбы с образованием дендритов в литий-ионных аккумуляторах — добавлять в их электролит наноалмазы, которые значительно увеличивают количество точек роста на поверхности электрода, и тем самым обеспечивают равномерное осаждение металла.
Источник
Твердотельные батареи: вся информация о новой технологии
Твердотельные батареи — что это?
Твердотельные батареи — новая разработка, которая находится на стадии исследований. Их главное отличие от традиционных аккумуляторов заключается в том, что они содержат твердый, а не жидкий электролит. Плотность энергии клеток здесь увеличивается за счет твердой природы вещества, что позволяет хранить больше энергии на килограмм батареи.
Большим преимуществом твердотельных батарей является их пожарная безопасность, которая представляет риск (особенно для обычных литий-ионных батарей) из-за жидкого электролита между анодом и катодом. Добавьте к этому будущую возможность большей емкости, а также более быстрой зарядки.
Твердотельные батареи считаются более безопасными, долговечными и надежными, чем обычные литий-ионные батареи.
Согласно данным Штутгартского университета, в настоящее время реализация твердотельных батарей заключается в поиске правильных материалов и их сочетаний для обеспечения хорошей плотности энергии и мощности, безопасности и длительного срока службы при низких затратах на производство.
Например, одной из трудностей в разработке твердотельных батарей является достижение короткого времени зарядки. Из-за низкой силы тока время зарядки аккумуляторов в настоящее время очень большое. Кроме того, поиск материала с такой же высокой ионной проводимостью, как и у жидких электролитов, также является трудностью. Некоторые автомобильные компании, такие как Toyota и Volkswagen, уже инвестировали в производство твердотельных батарей, поскольку они особенно интересны для электромобилей.
Интерес для автомобильной промышленности заключается в том, что твердотельная батарея, как ожидается, будет весить в четыре раза меньше обычных аккумуляторов при том же заряде. Таким образом, электрический автомобиль может достичь четырехкратной дальности пробега с тем же размером батареи.
Ожидается, что постоянное производство твердотельных батарей будет налажено на рынке с 2025 года, но сначала не в автомобильной промышленности.
Источник
Твердый электролит для аккумуляторов
Новый метод производства твердотельных литий-ионных аккумуляторов удвоит их плотность.
Новый метод производства твердотельных литий-ионных аккумуляторов удвоит их плотность.Исследователи из Австралийского института пограничных материалов Дикина разработали технологию, которая позволяет использовать обычные промышленные полимеры для создания твердых электролитов. Открытие позволит создавать твердотельные литий-ионные аккумуляторы двойной плотности, которые не будут взрываться и загораться при перегреве.
В литий-ионных батареях, установленных в большинстве электронных устройств и в некоторых видах транспорта, положительно заряженные катионы лития Li2+ используются в качестве химического «поршня» для проведения электрического заряда через контур. При полной зарядке катионы находятся в аноде батареи, а как только цепь открывается, перетекают в катод. При этом возникает электрический ток, который позволяет устройству работать.
В качестве электролита в литий-ионных аккумуляторов используются летучие жидкие растворители — исследователи предложили заменить их на твердый полимерный материал. Это позволит батареям такого типа работать с анодом из металлического лития — такая модернизация позволит увеличить емкость батареи и предотвратить ее взрыв или возгорание при перегреве.
Сейчас максимально возможная коммерческая плотность литий-ионных батарей составляет 250 Вт/кг. Открытие позволит повысить увеличить ее на 500 Вт/кг, что приведет к значительному увеличению дальности хода электромобилей и другой техники с электродвигателем.
Ранее инженеры из Национальной лаборатории в Ричланде выяснили причину появления «усов» — микроскопических нитей из лития, которые образуются внутри литий-ионных батарей и приводят к короткому замыканию и взрыву. Открытие позволит создать полностью безопасные перезаряжаемые аккумуляторы такого типа.
Источник