Ostrovy neaktivního lithia se plíží jako červi, aby se znovu spojili se svými elektrodami a obnovili kapacitu a životnost baterie.
Od Jennifer Huber
Výzkumníci z SLAC National Accelerator Laboratory a Stanford University na ministerstvu energetiky možná našli způsob, jak oživit dobíjecí lithiové baterie, což by mohlo zvýšit dojezd elektrických vozidel a životnost baterií v elektronických zařízeních nové generace.
Při cyklu lithiových baterií se v nich hromadí malé ostrůvky neaktivního lithia, které jsou odříznuty od elektrod, čímž se snižuje kapacita baterie pro uložení náboje. Ale výzkumný tým zjistil, že mohou způsobit, že se toto „mrtvé“ lithium plíží jako červ směrem k jedné z elektrod, dokud se znovu nepřipojí, což částečně zvrátit nežádoucí proces.
Přidání tohoto dalšího kroku zpomalilo degradaci jejich testovací baterie a zvýšilo její životnost o téměř 30 %.
“Nyní zkoumáme potenciální obnovu ztracené kapacity v lithium-iontových bateriích pomocí extrémně rychlého vybíjecího kroku,” řekl postdoktorand Fang Liu ze Stanfordu, hlavní autor studie zveřejněné 22. Příroda.
Ztráta spojení
Mnoho výzkumů hledá způsoby, jak vyrobit dobíjecí baterie s nižší hmotností, delší životností, vylepšenou bezpečností a vyšší rychlostí nabíjení než lithium-iontová technologie, která se v současnosti používá v mobilních telefonech, laptopech a elektrických vozidlech. Zvláštní důraz je kladen na vývoj lithium-kovových baterií, které by mohly uchovat více energie na objem nebo hmotnost. Například v elektromobilech by tyto baterie nové generace mohly zvýšit dojezd na jedno nabití a možná by zabíraly méně prostoru v kufru.
Oba typy baterií využívají kladně nabité ionty lithia, které se pohybují tam a zpět mezi elektrodami. V průběhu času se část kovového lithia stane elektrochemicky neaktivní a vytvoří izolované ostrovy lithia, které se již nespojí s elektrodami. To má za následek ztrátu kapacity a představuje zvláštní problém pro technologii lithium-metal a pro rychlé nabíjení lithium-iontových baterií.
V nové studii však vědci prokázali, že mohou mobilizovat a získat izolované lithium, aby prodloužili životnost baterie.
“Vždy jsem považoval izolované lithium za špatné, protože způsobuje rozpad baterií a dokonce i vznícení,” řekl Yi Cui, profesor na Stanfordu a SLAC a vyšetřovatel Stanfordského institutu pro výzkum materiálů a energie (SIMES), který vedl výzkum. výzkum. “Ale objevili jsme, jak toto ‚mrtvé‘ lithium znovu elektricky propojit se zápornou elektrodou, abychom jej znovu aktivovali.”
Plíživý, ne mrtvý
Myšlenka studie se zrodila, když Cui spekuloval, že přivedením napětí na katodu a anodu baterie by se izolovaný ostrov lithia mohl fyzicky pohybovat mezi elektrodami – proces, který jeho tým nyní potvrdil svými experimenty.
Vědci vyrobili optický článek s katodou lithium-nikl-mangan-kobalt-oxid (NMC), lithiovou anodou a izolovaným lithiovým ostrůvkem mezi nimi. Toto testovací zařízení jim umožnilo sledovat v reálném čase, co se děje uvnitř baterie při používání.
Zjistili, že izolovaný lithiový ostrov nebyl vůbec „mrtvý“, ale reagoval na provoz baterie. Při nabíjení článku se ostrůvek pomalu pohyboval směrem ke katodě; při vybíjení se plížil opačným směrem.
“Je to jako velmi pomalý červ, který posune hlavu dopředu a přitáhne ocas, aby se pohyboval nanometr po nanometru,” řekl Cui. „V tomto případě se transportuje tak, že se na jednom konci rozpustí a materiál uloží na druhý konec. Pokud dokážeme udržet lithiový červ v pohybu, nakonec se dotkne anody a obnoví elektrické spojení.“
Prodloužení životnosti
Výsledky, které vědci ověřili pomocí jiných testovacích baterií a prostřednictvím počítačových simulací, také demonstrují, jak lze izolované lithium obnovit ve skutečné baterii úpravou nabíjecího protokolu.
“Zjistili jsme, že můžeme během vybíjení přesunout oddělené lithium směrem k anodě a tyto pohyby jsou rychlejší při vyšších proudech,” řekl Liu. „Takže jsme přidali krok rychlého vybíjení vysokým proudem hned po nabití baterie, což posunulo izolované lithium dostatečně daleko, aby se znovu spojilo s anodou. Tím se lithium znovu aktivuje, takže se může podílet na životnosti baterie.“
Dodala: “Naše zjištění mají také široké důsledky pro návrh a vývoj robustnějších lithium-kovových baterií.”
Tato práce byla financována Úřadem pro energetickou účinnost a obnovitelné zdroje DOE, Úřadem pro technologie vozidel v rámci programu Battery Materials Research (BMR), konsorciem Battery 500 a programy eXtreme Fast Charge Cell Evaluation of Li-ion Battery (XCEL).
Citace: Fang Liu a kol., Příroda, 22. prosince 2021 (10.1038/s41586-021-04168-w)
V případě dotazů nebo připomínek kontaktujte SLAC Office of Communications na adrese communications@slac.stanford.edu.
SLAC je živá multiprogramová laboratoř, která zkoumá, jak vesmír funguje v největších, nejmenších a nejrychlejších měřítcích, a vymýšlí výkonné nástroje používané vědci po celém světě. Díky výzkumu zahrnujícímu částicovou fyziku, astrofyziku a kosmologii, materiály, chemii, biologické a energetické vědy a vědecké výpočty pomáháme řešit problémy reálného světa a prosazovat zájmy národa.
SLAC provozuje Stanfordská univerzita pro Úřad vědy Ministerstva energetiky USA. 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. Pro více informací navštivte energy.gov/science.
Výzkumníci ze Stanfordské univerzity a SLAC National Accelerator Laboratory amerického ministerstva energetiky prozkoumali potenciální obnovu ztracené kapacity v lithiových bateriích pomocí extrémně rychlého vybíjecího kroku k opětovnému propojení ostrova neaktivního lithia s anodou. Přidání tohoto dalšího kroku zpomalilo degradaci jejich testovací baterie a zvýšilo její životnost o téměř 30 %.
5. ledna 2022 Marija Maisch
- Zásobárna energie
- Technika
- Technologie a výzkum a vývoj
- United States
Obrázek: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Jedním z hlavních důvodů značných kapacitních ztrát a dokonce požárů v lithiových bateriích jsou malé ostrůvky neaktivního lithia, které vznikají během nerovnoměrného rozpouštění lithiových dendritů. Toto izolované lithium ztrácí spojení se sběračem proudu, takže je považováno za elektrochemicky neaktivní nebo „mrtvé“, ale tým amerických vědců zjistil, že toto lithium lze přivést zpět k životu, čímž se zvýší kapacita a životnost baterií.
Výzkumníci z SLAC National Accelerator Laboratory a Stanfordské univerzity amerického ministerstva energetiky prokázali, že izolované lithium je živé a vysoce citlivé na provoz baterií díky své dynamické polarizaci na elektrické pole v elektrolytu. Navrhli optický článek s lithium-nikl-mangan-kobalt-oxidovou (NMC) katodou a lithiovou anodou. Použili také izolovaný lithiový ostrov mezi nimi jako testovací zařízení, které jim umožnilo sledovat, co se děje uvnitř baterie, když je používána, v reálném čase.
Zjistili, že při nabíjení článku se ostrůvek pomalu pohyboval směrem ke katodě. Při vybíjení se plížil opačným směrem.
“Je to jako velmi pomalý červ, který posune hlavu dopředu a zatáhne ocas, aby se pohyboval nanometr po nanometru,” řekl Yi Cui, profesor na Stanfordské univerzitě a SLAC a výzkumník ze Stanfordského institutu pro výzkum materiálů a energie. „V tomto případě se transportuje tak, že se na jednom konci rozpustí a materiál uloží na druhý konec. Pokud dokážeme udržet lithiový červ v pohybu, nakonec se dotkne anody a obnoví elektrické spojení.“
Populární obsah
Lithium kov se hromadí na záporném konci ostrova a rozpouští se na kladném konci. Tento neustálý růst a rozpouštění způsobuje pohyb tam a zpět, který výzkumníci pozorovali. Jejich dalším krokem byla úprava nabíjecího protokolu, aby se tyto plovoucí ostrovy posunuly dostatečně daleko, aby se znovu spojily s anodou.
Zjistili, že přidáním krátkého kroku vybíjení vysokým proudem hned po nabití baterie postrčí ostrůvek, aby rostl ve směru k anodě. Výsledkem bylo, že vědci prokázali, že dokážou zmobilizovat a získat izolované lithium, čímž prodlouží životnost baterie téměř o 30 %.
Vědci očekávají, že tato zjištění budou mít široké důsledky pro návrh a vývoj robustnějších lithium-kovových baterií. Jejich studie „Dynamická prostorová progrese izolovaného lithia během provozu baterií“ byla nedávno zveřejněna v Příroda.
Tento obsah je chráněn autorským právem a nesmí být znovu použit. Pokud s námi chcete spolupracovat a chtěli byste znovu použít některý z našeho obsahu, kontaktujte nás: editors@pv-magazine.com.
Marija Maisch
Marija má dlouholeté zkušenosti v prostředí zpravodajských agentur a psaní pro tištěné a online publikace. V roce 2018 převzala funkci redaktorky časopisu pv Australia a během dvou let pomohla vybudovat jeho online přítomnost.
