Výzkumníci z Harvardské školy John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) vyvinuli novou lithium-kovovou baterii, kterou lze nabít a vybít nejméně 6,000krát – více než kterýkoli jiný vakový bateriový článek – a lze ji rychle dobít. minut.
Výzkum nejen popisuje nový způsob výroby polovodičových baterií s lithiovou kovovou anodou, ale také nabízí nové pochopení materiálů používaných pro tyto potenciálně revoluční baterie.
Výzkum je publikován v Nature Materials.
„Lithiové kovové anodové baterie jsou považovány za svatý grál baterií, protože mají desetkrát větší kapacitu než komerční grafitové anody a mohly by drasticky prodloužit dojezdovou vzdálenost elektrických vozidel,“ řekl Xin Li, docent materiálové vědy na SEAS a hlavní autor knihy. papír. “Náš výzkum je důležitým krokem k praktičtějším polovodičovým bateriím pro průmyslové a komerční aplikace.”
Jednou z největších výzev při návrhu těchto baterií je tvorba dendritů na povrchu anody. Tyto struktury prorůstají jako kořeny do elektrolytu a prorážejí bariéru oddělující anodu a katodu, což způsobuje zkrat nebo dokonce vznícení baterie.
Tyto dendrity se tvoří, když se ionty lithia během nabíjení pohybují z katody na anodu a připojují se k povrchu anody v procesu zvaném pokovování. Pokovování na anodě vytváří nerovný, nehomogenní povrch, jako je plak na zubech, a umožňuje zakořenění dendritů. Po vybití je třeba tento povlak podobný plaku odstranit z anody, a když je pokovování nerovnoměrné, proces odizolování může být pomalý a může vést k výmolům, které při dalším nabíjení způsobí ještě nerovnoměrnější pokovování.
V roce 2021 Li a jeho tým nabídli jeden způsob, jak se vypořádat s dendrity, navržením vícevrstvé baterie, která mezi anodu a katodu vložila různé materiály s různou stabilitou. Tato vícevrstvá konstrukce z mnoha materiálů zabránila pronikání dendritů lithia jejich úplným zastavením, ale spíše jejich kontrolou a zadržováním.
V tomto novém výzkumu Li a jeho tým zastavili tvorbu dendritů pomocí mikronových částic křemíku v anodě, aby omezily lithiační reakci a usnadnily homogenní pokovování silné vrstvy lithiového kovu.
V tomto provedení, když se ionty lithia během nabíjení pohybují z katody na anodu, je lithiační reakce omezena na mělkém povrchu a ionty se přichytí k povrchu křemíkové částice, ale neproniknou dále. To se výrazně liší od chemie tekutých lithium-iontových baterií, ve kterých ionty lithia pronikají hlubokou lithiační reakcí a nakonec ničí křemíkové částice v anodě.
Ale v baterii v pevném stavu jsou ionty na povrchu křemíku sevřeny a podléhají dynamickému procesu lithiace za vzniku lithiového pokovování kolem jádra křemíku.
„V našem designu se kov lithia obalí kolem křemíkové částice, jako skořápka tvrdé čokolády kolem jádra lískového ořechu v čokoládovém lanýži,“ řekl Li.
Tyto potažené částice vytvářejí homogenní povrch, přes který je proudová hustota rovnoměrně rozložena, což zabraňuje růstu dendritů. A protože pokovování a odizolování může na rovném povrchu proběhnout rychle, baterie se může dobít za pouhých 10 minut.
Výzkumníci vytvořili verzi baterie o velikosti poštovní známky, která je 10 až 20krát větší než mince vyrobená ve většině univerzitních laboratoří. Baterie si po 80 6,000 cyklech zachovala XNUMX % své kapacity, čímž překonala ostatní pouzdrové baterie na dnešním trhu. Tato technologie byla licencována prostřednictvím Harvard Office of Technology Development společnosti Adden Energy, harvardské spinoff společnosti, kterou spoluzaložil Li a tři absolventi Harvardu. Společnost rozšířila technologii, aby vytvořila pouzdrovou baterii velikosti chytrého telefonu.
Li a jeho tým také charakterizovali vlastnosti, které umožňují křemíku omezit difúzi lithia, aby se usnadnil dynamický proces upřednostňující homogenní pokovování tlustého lithia. Poté definovali jedinečný deskriptor vlastností pro popis takového procesu a vypočítali jej pro všechny známé anorganické materiály. Při tom tým odhalil desítky dalších materiálů, které by mohly potenciálně poskytnout podobný výkon.
“Předchozí výzkum zjistil, že jiné materiály, včetně stříbra, by mohly sloužit jako dobré materiály na anodě pro baterie v pevné fázi,” řekl Li. “Náš výzkum vysvětluje jeden možný základní mechanismus procesu a poskytuje cestu k identifikaci nových materiálů pro konstrukci baterií.”
Spoluautory výzkumu jsou Luhan Ye, Yang Lu, Yichao Wang a Jianyuan Li. Byl podpořen Ministerstvem energetiky pro technologie vozidel, Harvardským fondem pro řešení klimatických změn a Harvard Data Science Initiative Fund.
Novou lithiovou baterii lze nabít a vybít více než 6000krát a dobije se během několika minut.
Publikováno: leden 9, 2024
Kredit: Danilo Alvesd/ Unsplash
Poslouchejte s
Zaregistrujte se zdarma k poslechu tohoto článku
Děkuji. Poslechněte si tento článek pomocí výše uvedeného přehrávače. ✖
Chcete si tento článek poslechnout ZDARMA?
Vyplňte níže uvedený formulář a odemkněte přístup ke VŠEM audio článkům.
Technology Networks Ltd. potřebuje kontaktní údaje, které nám poskytnete, aby vás mohla kontaktovat ohledně našich produktů a služeb. Z odběru těchto sdělení se můžete kdykoli odhlásit. Informace o tom, jak se odhlásit z odběru, stejně jako o našich postupech v oblasti ochrany osobních údajů a odhodlání chránit vaše soukromí, naleznete v našich Zásadách ochrany osobních údajů
Doba čtení: 3 minuty
Výzkumníci z Harvardské školy John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) vyvinuli novou lithium-kovovou baterii, kterou lze nabít a vybít nejméně 6,000krát – více než kterýkoli jiný vakový bateriový článek – a lze ji rychle dobít. minut.
Výzkum nejen popisuje nový způsob výroby polovodičových baterií s lithiovou kovovou anodou, ale také nabízí nové pochopení materiálů používaných pro tyto potenciálně revoluční baterie.
Výzkum je publikován v Nature Materials.
„Lithiové kovové anodové baterie jsou považovány za svatý grál baterií, protože mají desetkrát větší kapacitu než komerční grafitové anody a mohly by drasticky prodloužit dojezdovou vzdálenost elektrických vozidel,“ řekl Xin Li, docent materiálové vědy na SEAS a hlavní autor knihy. papír. “Náš výzkum je důležitým krokem k praktičtějším polovodičovým bateriím pro průmyslové a komerční aplikace.”
Jednou z největších výzev při návrhu těchto baterií je tvorba dendritů na povrchu anody. Tyto struktury prorůstají jako kořeny do elektrolytu a prorážejí bariéru oddělující anodu a katodu, což způsobuje zkrat nebo dokonce vznícení baterie.
Chcete více aktuálních zpráv?
Popsat Technologické sítě“ denní zpravodaj, který vám každý den přináší nejnovější vědecké zprávy přímo do vaší schránky.
Tyto dendrity se tvoří, když se ionty lithia během nabíjení pohybují z katody na anodu a připojují se k povrchu anody v procesu zvaném pokovování. Pokovování na anodě vytváří nerovný, nehomogenní povrch, jako je plak na zubech, a umožňuje zakořenění dendritů. Po vybití je třeba tento povlak podobný plaku odstranit z anody, a když je pokovování nerovnoměrné, proces odizolování může být pomalý a může vést k výmolům, které při dalším nabíjení způsobí ještě nerovnoměrnější pokovování.
V roce 2021 Li a jeho tým nabídli jeden způsob, jak se vypořádat s dendrity, navržením vícevrstvé baterie, která mezi anodu a katodu vložila různé materiály s různou stabilitou. Tato vícevrstvá konstrukce z mnoha materiálů zabránila pronikání dendritů lithia jejich úplným zastavením, ale spíše jejich kontrolou a zadržováním.
V tomto novém výzkumu Li a jeho tým zastavili tvorbu dendritů pomocí mikronových částic křemíku v anodě, aby omezily lithiační reakci a usnadnily homogenní pokovování silné vrstvy lithiového kovu.
V tomto provedení, když se ionty lithia během nabíjení pohybují z katody na anodu, je lithiační reakce omezena na mělkém povrchu a ionty se přichytí k povrchu křemíkové částice, ale neproniknou dále. To se výrazně liší od chemie tekutých lithium-iontových baterií, ve kterých ionty lithia pronikají hlubokou lithiační reakcí a nakonec ničí křemíkové částice v anodě.
Ale v baterii v pevném stavu jsou ionty na povrchu křemíku sevřeny a podléhají dynamickému procesu lithiace za vzniku lithiového pokovování kolem jádra křemíku.
„V našem designu se kov lithia obalí kolem křemíkové částice, jako skořápka tvrdé čokolády kolem jádra lískového ořechu v čokoládovém lanýži,“ řekl Li.
Tyto potažené částice vytvářejí homogenní povrch, přes který je proudová hustota rovnoměrně rozložena, což zabraňuje růstu dendritů. A protože pokovování a odizolování může na rovném povrchu proběhnout rychle, baterie se může dobít za pouhých 10 minut.
Výzkumníci vytvořili verzi baterie o velikosti poštovní známky, která je 10 až 20krát větší než mince vyrobená ve většině univerzitních laboratoří. Baterie si po 80 6,000 cyklech zachovala XNUMX % své kapacity, čímž překonala ostatní pouzdrové baterie na dnešním trhu. Tato technologie byla licencována prostřednictvím Harvard Office of Technology Development společnosti Adden Energy, harvardské spinoff společnosti, kterou spoluzaložil Li a tři absolventi Harvardu. Společnost rozšířila technologii, aby vytvořila pouzdrovou baterii velikosti chytrého telefonu.
Li a jeho tým také charakterizovali vlastnosti, které umožňují křemíku omezit difúzi lithia, aby se usnadnil dynamický proces upřednostňující homogenní pokovování tlustého lithia. Poté definovali jedinečný deskriptor vlastností pro popis takového procesu a vypočítali jej pro všechny známé anorganické materiály. Při tom tým odhalil desítky dalších materiálů, které by mohly potenciálně poskytnout podobný výkon.
“Předchozí výzkum zjistil, že jiné materiály, včetně stříbra, by mohly sloužit jako dobré materiály na anodě pro baterie v pevné fázi,” řekl Li. “Náš výzkum vysvětluje jeden možný základní mechanismus procesu a poskytuje cestu k identifikaci nových materiálů pro konstrukci baterií.”
Reference: Ye L, Lu Y, Wang Y, Li J, Li X. Rychlá cyklace lithiového kovu v polovodičových bateriích pomocí anodových materiálů citlivých na zúžení. Nat Mater . 2024. doi: 10.1038/s41563-023-01722-x
Tento článek byl znovu publikován z následujících materiálů. Poznámka: Materiál mohl být upraven z hlediska délky a obsahu. Pro další informace prosím kontaktujte citovaný zdroj.
