Лучшие батареи по результатам исследований лаборатории Лоуренса Беркли

Jul 11, 2023

https://cleantechnica.com/2022/11/24/byd-may-begin-sodium-ion-battery-production-in-2023/

К

Опубликовано

Исследовательская группа под руководством Гао Лю, старшего научного сотрудника в области энергетических технологий в лаборатории Лоуренса Беркли, недавно опубликовала в журнале Nature Energy статью, в которой сообщается о новой технологии, которая может снизить стоимость литий-ионных батарей и продлить срок их службы. срок службы. Вот аннотация:

Электропроводящие полимеры находят все более широкое применение в устройствах преобразования и хранения энергии. В традиционной конструкции проводящих полимеров органические функциональные группы вводятся посредством синтетических подходов «снизу вверх» для улучшения конкретных свойств путем модификации отдельных полимеров. К сожалению, добавление функциональных групп приводит к противоречивым эффектам, ограничивая их масштабный синтез и широкое применение.

Здесь мы показываем проводящий полимер с простыми первичными строительными блоками, которые можно термически обрабатывать для создания иерархически упорядоченных структур (HOS) с четко определенной нанокристаллической морфологией. Наш подход к созданию постоянных HOS из проводящих полимеров приводит к существенному улучшению свойств переноса заряда и механической прочности, которые имеют решающее значение для практических литий-ионных батарей.

Наконец, мы демонстрируем, что проводящие полимеры с HOS обеспечивают исключительные циклические характеристики полных ячеек с высоконагруженными анодами на основе SiOx микронного размера, обеспечивая площадь емкости более 3,0 мАч · см-2 в течение 300 циклов и средний кулоновский КПД> 99,95%. .

«Это достижение открывает новый подход к разработке аккумуляторов для электромобилей, которые более доступны и просты в производстве», — сказал Лю. Важной новостью является то, что так называемое покрытие HOS-PFM одновременно проводит и электроны, и ионы, что обеспечивает стабильность батареи и высокую скорость заряда/разряда, одновременно увеличивая срок службы батареи. Покрытие также перспективно в качестве клея для аккумуляторов, который может продлить срок службы литий-ионного аккумулятора в среднем с 10 до примерно 15 лет, добавил он.

Фото: Дженни Нусс, Лаборатория Беркли.

Это подпись к изображенному выше изображению из лаборатории Беркли:

«Перед нагреванием: при комнатной температуре (20 градусов по Цельсию) алкильные концевые цепи (черные волнистые линии) на полимерной цепи PFM ограничивают движение ионов лития (красные кружки).

«При нагревании примерно до 450 градусов по Цельсию (842 градуса по Фаренгейту) алкильные концевые цепи плавятся, создавая свободные «липкие» места (синие волнистые линии), которые «цепляются» за кремниевые или алюминиевые материалы на атомном уровне. Полимерные цепи PFM затем самособираются в нити, похожие на спагетти, называемые «иерархически упорядоченными структурами» или HOS.

«Подобно атомной скоростной автомагистрали, нити HOS-PFM позволяют ионам лития путешествовать вместе с электронами (синие кружки). Эти ионы и электроны лития движутся синхронно вдоль выровненных проводящих полимерных цепей».

Если вы следите до сих пор, читайте дальше. Чтобы продемонстрировать превосходные проводящие и адгезионные свойства HOS-PFM, Лю и его команда покрыли алюминиевые и кремниевые электроды HOS-PFM и протестировали их работу в установке литий-ионной батареи. Кремний и алюминий являются многообещающими электродными материалами для литий-ионных аккумуляторов из-за их потенциально высокой емкости хранения энергии и легкого профиля. Но эти дешевые и распространенные материалы быстро изнашиваются после нескольких циклов зарядки/разрядки.

В ходе экспериментов в Advanced Light Source и Molecular Foundry, входящем в состав лаборатории Лоуренса в Беркли, исследователи продемонстрировали, что покрытие HOS-PFM значительно предотвращает деградацию электродов на основе кремния и алюминия во время циклической работы батареи, обеспечивая при этом высокую емкость батареи в течение длительного времени. 300 циклов, производительность на уровне современных электродов.

По словам Лю, результаты впечатляют, поскольку литий-ионные элементы на основе кремния обычно служат ограниченное количество циклов зарядки/разрядки и календарный срок службы. Исследователи успешно продемонстрировали, что покрытие HOS-PFM значительно предотвращает разрушение электродов на основе алюминия во время циклической работы батареи, обеспечивая при этом высокую емкость батареи более 300 циклов. «Это достижение открывает новый подход к разработке аккумуляторов для электромобилей, которые будут более доступными и простыми в производстве», — сказал Гао.