Ilgesnio tarnavimo laiko ličio-metalo akumuliatorius - žingsnis į priekį elektromobilių srityje
PNNL mokslininkai rado sprendimą, kaip išspręsti baterijoms būdingą staigios mirties problemą
Mokslininkams pavyko rekordiškai pailginti perspektyvaus elektromobilių akumuliatoriaus tarnavimo laiką - tai svarbus žingsnis siekiant lengvesnių, pigesnių ir ilgaamžių ateities elektromobilių akumuliatorių. Apie šį darbą rašoma birželio 28 d. žurnale "Nature Energy".
Tokie akumuliatoriai - viso pasaulio mokslinių tyrimų grupių tikslas - laikomi svarbia klimato kaitos poveikio mažinimo sprendimo dalimi, o mokslininkai tiria daugybę galimybių.
Vienas iš galimų sprendimų - ličio metalo baterija, skirta elektromobiliams. Šios baterijos turi beveik dvigubai daugiau energijos nei plačiai naudojamos ličio jonų baterijos ir yra lengvesnės. Šis derinys suteikia viliojančią perspektyvą sukurti lengvesnę elektrinę transporto priemonę, kuri vienu įkrovimu nuvažiuotų daug toliau. Tačiau ličio-metalo baterijos laboratorijoje buvo kamuojamos ankstyvo žūties, nes veikė tik dalį laiko, palyginti su dabartinėmis ličio jonų baterijomis.
Dabar JAV Energetikos departamento Ramiojo vandenyno šiaurės vakarų nacionalinės laboratorijos mokslininkų komanda sukūrė ličio-metalo akumuliatorių, kuris veikia 600 ciklų, t. y. kur kas ilgiau nei kiti paskelbti rezultatai. Tai reiškia, kad ją galima visiškai įkrauti ir iškrauti 600 kartų, kol ji išsikraus.
Tai didelis žingsnis į priekį perspektyviai technologijai, tačiau ličio-metalo technologija dar nėra parengta geriausiam laikui. Nors šiandien elektromobiliuose naudojamose ličio jonų baterijose telpa mažiau energijos, jos veikia ilgiau, paprastai bent 1 000 ciklų. Tačiau transporto priemonės vienu įkrovimu nenuvažiuos tiek, kiek nuvažiuotų su efektyvia ličio-metalo baterija.
Naujieji tyrimai atlikti DOE Inovacijų centro "Battery500" konsorciumo, kuriam vadovauja PNNL, pastangomis, kurias vykdo kelios institucijos, siekiant sukurti lengvesnes, daugiau energijos naudojančias ir pigesnes nei šiuo metu naudojamos elektromobilių baterijas. PNNL vadovauja konsorciumui ir yra atsakingas už naujausių partnerių institucijų pasiekimų integravimą į prietaisus, vadinamus didelės energijos maišeliniais elementais, ir geresnių eksploatacinių savybių demonstravimą realiomis sąlygomis.
Ličio metalas: plonos ličio juostelės - ilgesnis tarnavimo laikas
PNNL komanda rado būdą, kaip pailginti akumuliatoriaus tarnavimo laiką taikant netikėtą metodą. Užuot naudojusi anodus su didesniu kiekiu ličio, komanda panaudojo neįtikėtinai plonas ličio juosteles, vos 20 mikronų pločio, daug plonesnes nei žmogaus plauko plotis.
"Daugelis žmonių manė, kad storesnis litis leistų akumuliatoriui veikti ilgiau", - sakė Jie Xiao, kuris kartu su konsorciumo "Battery500" direktoriumi Junu Liu yra straipsnio autorius korespondentas. "Tačiau tai ne visada tiesa. Kiekvienam ličio-metalo akumuliatoriui, priklausomai nuo jo elementų energijos ir konstrukcijos, yra optimalus storis."
Komandos "Battery500" sukurto ličio-metalo akumuliatoriaus energijos tankis yra 350 vatvalandžių vienam kilogramui (Wh/kg) - labai didelis, bet ne beprecedentis. Naujųjų atradimų vertė labiau susijusi su akumuliatoriaus eksploatavimo trukme. Po 600 ciklų baterija išlaikė 76 proc. pradinės talpos.
Vos prieš ketverius metus eksperimentinė ličio-metalo baterija galėjo veikti 50 ciklų. Šis rodiklis sparčiai didėjo; prieš dvejus metus PNNL komanda pasiekė 200 ciklų, o dabar - 600. Be to, PNNL akumuliatorius yra maišelinis elementas, kuris labiau atitinka realaus pasaulio sąlygas nei monetinis elementas, mažiau tikroviškas įrenginys, naudojamas daugelyje akumuliatorių mokslinių tyrimų projektų.
Ličio metalas: kodėl svarbus storis
Komandos sprendimas išbandyti plonesnes ličio juosteles buvo pagrįstas išsamiu anodo molekulinės dinamikos supratimu, kaip paaiškinta "Nature Energy" straipsnyje.
Mokslininkai nustatė, kad storesnės juostelės tiesiogiai prisideda prie akumuliatoriaus gedimo. Taip yra dėl sudėtingų reakcijų, vykstančių aplink anodo plėvelę, vadinamą kietojo elektrolito tarpfaziu, arba SEI. SEI yra šalutinis ličio ir elektrolito šalutinių reakcijų produktas. Ji veikia kaip svarbus sargas, kuris leidžia tam tikroms molekulėms patekti iš anodo į elektrolitą ir atgal, o kitas molekules sulaiko.
Tai svarbus darbas. Efektyviai veikianti SEI praleidžia tam tikrus ličio jonus, tačiau apriboja nepageidaujamas chemines reakcijas, kurios mažina akumuliatoriaus našumą ir greitina jo elementų gedimą. Pagrindinis mokslininkų tikslas buvo sumažinti nepageidaujamas šalutines reakcijas tarp elektrolito ir ličio metalo - paskatinti gyvybiškai svarbias chemines reakcijas ir kartu apriboti nepageidaujamas.
Komanda nustatė, kad plonesnės ličio juostelės geba sukurti vadinamąją gerąją SEI, o storesnės juostelės turi didesnę tikimybę prisidėti prie vadinamosios žalingos SEI. Savo darbe mokslininkai vartoja terminus "šlapia SEI" ir "sausa SEI". Drėgnoji versija išlaiko skysto elektrolito ir anodo kontaktą, todėl įmanomos svarbios elektrocheminės reakcijos.
Tačiau sauso SEI atveju skystas elektrolitas nepasiekia viso ličio. Paprasčiausiai dėl to, kad ličio juostelės yra storesnės, elektrolitui reikia tekėti į gilesnes ličio kišenes, todėl kitos ličio dalys lieka sausos. Tai stabdo svarbias reakcijas, iš esmės užgniaužia būtinas elektrochemines reakcijas ir tiesiogiai prisideda prie ankstyvo akumuliatoriaus žūties.
Tai svarbi problema, ypač tokiose realiose baterijose kaip maišelinės, kuriose elektrolito kiekis yra 20-30 kartų mažesnis nei eksperimentinėse monetų baterijose.
Pagalvokite, kaip ant keptuvės pamažu kaupiasi riebalų sluoksnis, jei ji kruopščiai neišvaloma po kiekvieno naudojimo. Laikui bėgant sluoksnis kaupiasi ir veikia kaip barjeras, mažindamas energijos srautą ir darydamas paviršių mažiau efektyvų. Lygiai taip pat nepageidaujamas sausas SEI sluoksnis trukdo efektyviai perduoti energiją, kurios reikia akumuliatoriuje.
Pažanga dėl "Battery500"
Konsorciumo "Battery500" dėka pasiekta didelė pažanga ličio ir metalų akumuliatorių srityje. Tikslas - padidinti energijos kiekį, sutalpintą į ilgai veikiantį, saugų ir įperkamą akumuliatorių. Daugiau energijos, tenkančios vienam kilogramui medžiagos, reiškia, kad automobilis bus lengvesnis ir vienu įkrovimu galės nuvažiuoti toliau. Dabartinių elektrinių transporto priemonių baterijų baterijų talpa yra apie 200-250 Wh/kg; "Battery500" siekia 500 Wh/kg.
"Battery500" konsorciumas padarė didelę pažangą didindamas energijos tankį ir ilgindamas ciklo trukmę", - sakė Binghamtono universiteto nusipelnęs profesorius M. Stanley Whittinghamas, 2019 m. Nobelio chemijos premijos laureatas ir vienas iš straipsnio bendraautorių. "Tačiau reikia nuveikti daug daugiau. Visų pirma, reikia spręsti ličio-metalo baterijų saugos problemas. Šią problemą "Battery500" komanda stengiasi išspręsti".
Darbą finansavo DOE Energijos efektyvumo ir atsinaujinančios energijos biuro Transporto priemonių technologijų biuras. Didžioji dalis mikroskopijos, skirtos akumuliatoriui įvertinti, buvo atlikta EMSL, Aplinkos molekulinių mokslų laboratorijoje, DOE Mokslo biuro vartotojų įstaigoje, esančioje PNNL.
Be Liu, Xiao ir Whittinghamo, tarp autorių yra PNNL mokslininkai Chaojiang Niu, Dianying Liu, Joshua Lochala, Cassidy Anderson, Xia Cao, Mark Gross, Wu Xu ir Ji-Guang (Jason) Zhang. Xiao ir Liu taip pat dirba Vašingtono universitete.
