26 ИЮН, 12:05 МСК
USD (ЦБ)    53.3234
EUR (ЦБ)    55.9640

Новая конструкция электрода может привести к более мощным батареям

03.02.2020 20:49
Комментарии

Новое исследование, проведенное инженерами международной команды, может помочь батареям накапливать больше энергии и служить дольше, исходя из долгожданной цели использования чистого металлического лития в качестве анода.

Новая концепция электродов исходит от лаборатории Джу Ли, профессора ядерной энергетики и инженерии Battelle Energy Alliance и профессора материаловедения и инженерии. Исследование проведено в соавторстве с Юмингом Ченом и Цзыцяном Ваном из Массачусетского технологического института, наряду с 11 другими учеными из Массачусетского технологического института, а также Гонконга, Флориды и Техаса.

Конструкция является частью концепции для разработки безопасных твердотельных батарей, отказываясь от жидкого или полимерного геля, обычно используемого в качестве материала электролита между двумя электродами батареи. Электролит позволяет ионам лития перемещаться взад и вперед во время циклов зарядки и разрядки батареи, и полностью твердотельная версия может быть более безопасной, чем жидкие электролиты, которые обладают высокой летучестью и являются источником взрывов в литиевых батареях .

«Была проведена большая работа над твердотельными батареями с литий-металлическими электродами и твердыми электролитами», - говорит Ли, но эти усилия столкнулись с рядом проблем.

Одна из самых больших проблем заключается в том, что при зарядке батареи атомы накапливаются внутри металлического лития, вызывая его расширение. Металл затем снова сжимается во время разряда при использовании батареи. Эти повторяющиеся изменения размеров металла, подобно процессу вдоха и выдоха, мешают твердым веществам поддерживать постоянный контакт и имеют тенденцию вызывать разрушение или отрыв твердого электролита.

Другая проблема состоит в том, что ни один из предложенных твердых электролитов не является действительно химически стабильным при контакте с высокореакционноспособным металлическим литием, и они имеют тенденцию разрушаться со временем.

Большинство попыток преодолеть эти проблемы были сосредоточены на разработке материалов из твердого электролита, которые абсолютно устойчивы к металлическому литию, что оказывается затруднительным. Вместо этого Ли и его команда приняли необычную конструкцию, в которой используются два дополнительных класса твердых веществ: «смешанные ионно-электронные проводники» (MIEC) и «электронные и литий-ионные изоляторы» (ELI), которые абсолютно химически устойчивы в контакте с литием.

Исследователи разработали трехмерную наноархитектуру в виде сотоподобного массива шестиугольных трубок MIEC, частично наполненных твердым металлическим литием для формирования одного электрода батареи, но с дополнительным пространством, оставленным внутри каждой трубки. Когда литий расширяется в процессе зарядки, он течет в пустое пространство внутри трубок, перемещаясь как жидкость, даже если он сохраняет свою твердую кристаллическую структуру. Этот поток, полностью ограниченный внутри сотовой структуры, снимает давление от расширения, вызванного зарядкой, но без изменения внешних размеров электрода или границы между электродом и электролитом. Другой материал, ELI, служит важнейшим механическим связующим между стенками MIEC и слоем твердого электролита.

«Мы разработали эту структуру, которая дает нам трехмерные электроды, такие как соты», - говорит Ли. «Пустые пространства в каждой трубке конструкции позволяют литию «сползать назад» в трубки, и, таким образом, он не создает напряжения для растрескивания твердого электролита».

Расширяющийся и сжимающийся литий внутри этих трубок движется внутрь и наружу, как поршни автомобильного двигателя внутри их цилиндров. Поскольку эти структуры построены с наноразмерными размерами (трубки имеют диаметр от 100 до 300 нанометров и высоту десятков микрон), в результате получается «двигатель с 10 миллиардами поршней с металлическим литием в качестве рабочей жидкости».

По словам Ли, поскольку стенки этих сотоподобных структур выполнены из химически стабильного MIEC, литий никогда не теряет электрический контакт с материалом. Таким образом, весь твердый аккумулятор может оставаться механически и химически стабильным, поскольку он проходит через свои циклы использования. Команда подтвердила эту концепцию экспериментально, подвергнув испытательное устройство 100 циклам зарядки и разрядки без образования трещин в твердых телах.

Ли говорит, что, хотя многие другие группы работают над тем, что они называют твердыми батареями, большинство этих систем на самом деле работают лучше с некоторым количеством жидкого электролита, смешанного с материалом твердого электролита.

«Но в нашем случае, - говорит он, - на самом деле все твердо. В нем нет жидкости или геля».

Новая система может обеспечить безопасные аноды, которые весят всего на четверть больше, чем их обычные аналоги в литий-ионных батареях, при том же объеме хранения. В сочетании с новыми концепциями для облегченных версий другого электрода, катода, эта работа может привести к существенному снижению общего веса литий-ионных аккумуляторов. Например, команда надеется, что это может привести к тому, что мобильные телефоны будут заряжаться один раз в три дня, не делая телефоны более тяжелыми или громоздкими, пишет phys.org.

Комментировать (без регистрации)

Написать комментарий

правила комментирования
  1. Не оскорблять участников общения в любой форме. Участники должны соблюдать уважительную форму общения.
  2. Не использовать в комментарии нецензурную брань или эвфемизмы, обсценную лексику и фразеологию, включая завуалированный мат, а также любое их цитирование.
  3. Не публиковать рекламные сообщения и спам; сообщения коммерческого характера; ссылки на сторонние ресурсы в рекламных целях. В ином случае комментарий может быть допущен в редакции без ссылок по тексту либо удален.
  4. Не использовать комментарии как почтовую доску объявлений для сообщений приватного характера, адресованного конкретному участнику.
  5. Не проявлять расовую, национальную и религиозную неприязнь и ненависть, в т.ч. и презрительное проявление неуважения и ненависти к любым национальным языкам, включая русский; запрещается пропагандировать терроризм, экстремизм, фашизм, наркотики и прочие темы, несовместимые с общепринятыми законами, нормами морали и приличия.
  6. Не использовать в комментарии язык, отличный от литературного русского.
  7. Не злоупотреблять использованием СПЛОШНЫХ ЗАГЛАВНЫХ букв (использованием Caps Lock).
Отправить комментарий


Капитал страны
Нашли ошибку на сайте? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter
Отметьте самые значимые события 2021 года:
close
check_box check_box_outline_blank Демонстратор будущего двигателя для многоразовой ракеты-носителя в Свердловской области
check_box check_box_outline_blank Демонстратор нового авиадвигателя ПД-35 в Пермском крае
check_box check_box_outline_blank Полет МС-21-300 с крылом, изготовленным из российских композитов в Иркутской области
check_box check_box_outline_blank Открытие крупнейшего в РФ Амурского газоперерабатывающего завода в Амурской области
check_box check_box_outline_blank Запуск первой за 20 лет термоядерной установки Токамак Т-15МД в Москве
check_box check_box_outline_blank Создание уникального морского роботизированного комплекса «СЕВРЮГА» в Астраханской области
check_box check_box_outline_blank Открытие завода первого российского бренда премиальных автомобилей Aurus в Татарстане
check_box check_box_outline_blank Старт разработки крупнейшего в Европе месторождения платиноидов «Федорова Тундра» в Мурманской области
check_box check_box_outline_blank Испытание «зеленого» танкера ледового класса ICE-1А «Владимир Виноградов» в Приморском крае
check_box check_box_outline_blank Печать на 3D-принтере первого в РФ жилого комплекса в Ярославской области
Показать ещеexpand_more