Νέα του κλάδου

Ανακάλυψη μπαταρίας για ηλεκτρικά αυτοκίνητα

2021-06-16



Οι ερευνητές του Χάρβαρντ σχεδίασαν μακράς διαρκείας, σταθερή, στερεάς κατάστασης μπαταρία λιθίου για να διορθώσουν το πρόβλημα 40 ετών.

 

Οι μπαταρίες μακράς διάρκειας και γρήγορης φόρτισης είναι απαραίτητες για την επέκταση της αγοράς ηλεκτρικών οχημάτων, αλλά οι σημερινές μπαταρίες ιόντων λιθίου υπολείπονται των απαιτούμενων μπαταριών - είναι πολύ βαριές, πολύ ακριβές και απαιτούν πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα για φόρτιση.

 

Για δεκαετίες, οι ερευνητές προσπάθησαν να εκμεταλλευτούν τις δυνατότητες των μπαταριών λιθίου-μετάλλου στερεάς κατάστασης, οι οποίες συγκρατούν σημαντικά περισσότερη ενέργεια στον ίδιο όγκο και φορτίζονται σε ένα κλάσμα του χρόνου σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μπαταρίες ιόντων λιθίου.

 

«Μια μπαταρία λιθίου-μετάλλου θεωρείται το ιερό δισκοπότηρο για τη χημεία των μπαταριών λόγω της υψηλής χωρητικότητας και της ενεργειακής πυκνότητάς της», είπε ο Σιν Λι, αναπληρωτής καθηγητής επιστήμης υλικών στο Χάρβαρντ Τζον Α. Paulson σχολή μηχανικών και εφαρμοσμένων επιστημών (θάλασσες). “αλλά η σταθερότητα αυτών των μπαταριών ήταν πάντα κακή.â€

 

Τώρα, ο Li και η ομάδα του έχουν σχεδιάσει μια σταθερή μπαταρία λιθίου-μετάλλου, στερεάς κατάστασης που μπορεί να φορτιστεί και να αποφορτιστεί τουλάχιστον 10.000 φορές - πολύ περισσότερους κύκλους από ό,τι είχε αποδειχθεί προηγουμένως - σε υψηλή πυκνότητα ρεύματος. Οι ερευνητές συνδύασαν το νέο σχέδιο με ένα εμπορικό υλικό καθόδου υψηλής ενεργειακής πυκνότητας.

 

Αυτή η τεχνολογία μπαταριών θα μπορούσε να αυξήσει τη διάρκεια ζωής των ηλεκτρικών οχημάτων σε σχέση με τα βενζινοκίνητα αυτοκίνητα - 10 έως 15 χρόνια - χωρίς την ανάγκη αντικατάστασης της μπαταρίας. Με την υψηλή πυκνότητα ρεύματος, η μπαταρία θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για ηλεκτρικά οχήματα που μπορούν να φορτιστούν πλήρως μέσα σε 10 έως 20 λεπτά.

 

Η έρευνα δημοσιεύεται στοφύση.


«Η έρευνά μας δείχνει ότι η μπαταρία στερεάς κατάστασης θα μπορούσε να είναι θεμελιωδώς διαφορετική από την εμπορική μπαταρία ιόντων λιθίου υγρού ηλεκτρολύτη», είπε ο Λι. «Μελετώντας τη θεμελιώδη θερμοδυναμική τους, μπορούμε να ξεκλειδώσουμε την ανώτερη απόδοση και να αξιοποιήσουμε τις άφθονες ευκαιρίες τους».


 

Η μεγάλη πρόκληση με τις μπαταρίες λιθίου-μετάλλου ήταν πάντα η χημεία. Οι μπαταρίες λιθίου μετακινούν ιόντα λιθίου από την κάθοδο στην άνοδο κατά τη φόρτιση. Όταν η άνοδος είναι κατασκευασμένη από μέταλλο λιθίου, σχηματίζονται στην επιφάνεια δομές που μοιάζουν με βελόνες που ονομάζονται δενδρίτες. Αυτές οι δομές αναπτύσσονται σαν ρίζες στον ηλεκτρολύτη και διαπερνούν το φράγμα που χωρίζει την άνοδο και την κάθοδο, προκαλώντας βραχυκύκλωμα της μπαταρίας ή ακόμη και ανάφλεξη.

 

Για να ξεπεράσουν αυτή την πρόκληση, ο Li και η ομάδα του σχεδίασαν μια μπαταρία πολλαπλών στρώσεων που τοποθετεί διαφορετικά υλικά διαφορετικής σταθερότητας μεταξύ της ανόδου και της καθόδου. Αυτή η πολυστρωματική μπαταρία πολλαπλών υλικών αποτρέπει τη διείσδυση των δενδριτών λιθίου όχι με το να τους σταματήσει εντελώς, αλλά μάλλον με τον έλεγχο και τον περιορισμό τους.

 

Σκεφτείτε την μπαταρία σαν ένα σάντουιτς blt. Πρώτα έρχεται το ψωμί - η άνοδος μετάλλου λιθίου - ακολουθούμενο από το μαρούλι - μια επίστρωση από γραφίτη. Στη συνέχεια, ένα στρώμα ντομάτας - ο πρώτος ηλεκτρολύτης - και ένα στρώμα μπέικον - ο δεύτερος ηλεκτρολύτης. Τελειώστε το με μια άλλη στρώση ντομάτας και το τελευταίο κομμάτι ψωμί - την κάθοδο.


Μπαταρία ABLT. Πρώτα έρχεται το ψωμί - η άνοδος μετάλλου λιθίου - ακολουθούμενο από το μαρούλι - μια επίστρωση από γραφίτη. Στη συνέχεια, ένα στρώμα ντομάτας - ο πρώτος ηλεκτρολύτης - και ένα στρώμα μπέικον - ο δεύτερος ηλεκτρολύτης. Τελειώστε το με μια άλλη στρώση ντομάτας και το τελευταίο κομμάτι ψωμί - την κάθοδο. Credit: Lisa Burrows/Harvard Seas

 

Ο πρώτος ηλεκτρολύτης (χημική ονομασία li5.5ps4.5cl1.5 ή lpsci) είναι πιο σταθερός με το λίθιο αλλά επιρρεπής στη διείσδυση δενδρίτη. Ο δεύτερος ηλεκτρολύτης, (li10ge1p2s12 ή lgps) είναι λιγότερο σταθερός με το λίθιο, αλλά φαίνεται άνοσος στους δενδρίτες. Σε αυτό το σχέδιο, οι δενδρίτες αφήνονται να αναπτυχθούν μέσω του γραφίτη και του πρώτου ηλεκτρολύτη, αλλά σταματούν όταν φτάσουν στον δεύτερο. Με άλλα λόγια, οι δενδρίτες μεγαλώνουν μέσα από το μαρούλι και την ντομάτα αλλά σταματούν στο μπέικον. Το φράγμα μπέικον εμποδίζει τους δενδρίτες να σπρώξουν και να βραχυκυκλώσουν την μπαταρία.

 

«Η στρατηγική μας για την ενσωμάτωση της αστάθειας για τη σταθεροποίηση της μπαταρίας φαίνεται αντίθετη, αλλά όπως μια άγκυρα μπορεί να καθοδηγήσει και να ελέγξει μια βίδα που μπαίνει σε έναν τοίχο, έτσι και η πολυστρωματική μας σχεδίαση μπορεί να καθοδηγήσει και να ελέγξει την ανάπτυξη των δενδριτών», είπε. luhan ye, συν-συγγραφέας της εργασίας και μεταπτυχιακός φοιτητής στη θάλασσα.

 

«Η διαφορά είναι ότι η άγκυρά μας γίνεται γρήγορα πολύ σφιχτή για να τρυπήσει ο δενδρίτης, οπότε η ανάπτυξη δενδρίτη σταματά», πρόσθεσε ο Li.

 

Η μπαταρία επίσης αυτοθεραπεύεται. Η χημεία του επιτρέπει να γεμίζει τρύπες που δημιουργούνται από τους δενδρίτες.

 

«Αυτή η σχεδίαση απόδειξης της ιδέας δείχνει ότι οι μπαταρίες λιθίου-μετάλλου στερεάς κατάστασης θα μπορούσαν να είναι ανταγωνιστικές με τις εμπορικές μπαταρίες ιόντων λιθίου», είπε ο Λι. Και η ευελιξία και η ευελιξία της πολυεπίπεδης σχεδίασής μας το καθιστά δυνητικά συμβατό με διαδικασίες μαζικής παραγωγής στη βιομηχανία μπαταριών. Η κλιμάκωση μέχρι την εμπορική μπαταρία δεν θα είναι εύκολη και υπάρχουν ακόμα ορισμένες πρακτικές προκλήσεις, αλλά πιστεύουμε ότι θα ξεπεραστούν.

 

του Χάρβαρντγραφείο ανάπτυξης τεχνολογίαςέχει προστατεύσει ένα χαρτοφυλάκιο πνευματικής ιδιοκτησίας που σχετίζεται με αυτό το έργο, το οποίο προωθείται προς εμπορικές εφαρμογές με την υποστήριξη του Harvard'sεπιταχυντής φυσικών επιστημών και μηχανικήςκαι τοΤαμείο λύσεων για την κλιματική αλλαγή του Χάρβαρντ.



+8613738042576
[email protected]