Új lehetőség nagy energiájú akkumulátorok kifejlesztésére

Az elmúlt években a lítium-ion akkumulátorok egyre jobban tudják ellátni az energiát a katonáknak a helyszínen, de a jelenlegi akkumulátor-generáció soha nem éri el a legnagyobb energiapotenciált. A hadsereg kutatói kiemelten foglalkoznak ennek a kihívásnak a megoldásával és a katonák igényének kielégítésével.

akkumulátorok

Az amerikai hadsereg harci képességeinek fejlesztési parancsnokságának hadseregkutató laboratóriumában a Marylandi Egyetemmel együttműködve a tudósok megoldást találtak.

"Nagyon izgatottan mutatjuk be a lítium-ion akkumulátorok új elektrolittervét, amely az anód kapacitását több mint ötször javítja a hagyományos módszerekhez képest" - mondta Dr. Oleg Borodin, a hadsereg tudósa. "Ez a következő lépés, amely szükséges ahhoz, hogy ez a technológia közelebb kerüljön a kereskedelemhez."

A csapat egy öngyógyító, védőréteget tervezett az akkumulátorban, amely jelentősen lelassítja az elektrolit és a szilícium anód lebomlási folyamatát, ami meghosszabbíthatja a következő generációs lítium-ion akkumulátorok élettartamát.

Legújabb akkumulátor-kialakításuk tízesről több mint százra növelte a lehetséges ciklusok számát, kis romlással. A Nature Energy folyóirat közzétette eredményeiket.

Így működik az akkumulátor. Az akkumulátor kémiai energiát tárol és elektromos energiává alakítja. Az elemek három részből állnak, egy anódból (-), egy katódból (+) és az elektrolitból. Az anód egy olyan elektróda, amelyen keresztül a hagyományos áram belép egy polarizált elektromos eszközbe. Ez ellentétben áll a katóddal, amelyen keresztül az áram távozik egy elektromos eszközből.

Az elektrolit megakadályozza, hogy az elektronok egyenesen az anódtól a katódig menjenek az elem belsejében. A jobb elemek létrehozása érdekében Borodin szerint növelheti az anód és a katód kapacitását, de az elektrolitnak kompatibilisnek kell lennie közöttük.

A lítium-ion akkumulátorok általában grafitanódokat használnak, amelyek kapacitása körülbelül 370 milliamp óra (mAh)/gramm. De a szilíciumból készült anódok grammenként körülbelül 1500–2 800 mAh-t, vagy legalább négyszer akkora kapacitást kínálnak.

A kutatók szerint a szilíciumrészecske-anódok a hagyományos grafit-anódokkal szemben kiváló alternatívákat kínálnak, de sokkal gyorsabban lebomlanak. A grafittól eltérően a szilícium kitágul és összehúzódik az akkumulátor működése során. Ahogy az anódon belül a szilícium nanorészecskék nagyobbak lesznek, gyakran megrepedik az anódot körülvevő védőréteget - az úgynevezett szilárd elektrolit interfázist -.

A szilárd elektrolit interfázis természetesen akkor alakul ki, amikor az anódrészecskék közvetlenül érintkeznek az elektrolittal. A kapott gát megakadályozza a további reakciók bekövetkezését, és elválasztja az anódot az elektrolittól. De amikor ez a védőréteg megsérül, az újonnan kitett anódrészecskék folyamatosan reagálnak az elektrolittal, amíg el nem fogy.

"Mások megpróbálták megoldani ezt a problémát egy védőréteg kialakításával, amely akkor tágul, amikor a szilíciumanód megtörténik" - mondta Borodin. "Ezek a módszerek azonban továbbra is okoznak némi elektrolit-lebomlást, ami jelentősen lerövidíti az anód és az akkumulátor élettartamát."

A Marylandi Egyetem és a hadsereg kutató laboratóriumának közös csapata úgy döntött, hogy új megközelítést próbál ki. Rugalmas gát helyett a kutatók egy merev gátat terveztek, amely nem válik szét - még akkor sem, ha a szilícium nanorészecskék kitágulnak. Olyan elektrolitot tartalmazó lítium-ion akkumulátort fejlesztettek ki, amely egy szilárd lítium-fluorid szilárd elektrolit-interfázist vagy SEI-t alkotott, amikor az elektrolit kölcsönhatásba lép a szilícium-anód részecskékkel és lényegesen csökkentette az elektrolit-lebomlást.

"Sikeresen elkerültük a SEI károsodását azáltal, hogy olyan kerámia SEI-t alakítottunk ki, amely alacsony affinitással rendelkezik a lítiumozott szilíciumrészecskék iránt, így a litizált szilícium a térfogatváltozás során a felületen áthelyezhető anélkül, hogy károsítaná a SEI-t" - mondta Prof. kémiai és biomolekuláris mérnöki tudományok a Marylandi Egyetemen. "Az elektrolit tervezési elve univerzális minden ötvözetű anód számára, és új lehetőséget nyit nagy energiájú akkumulátorok kifejlesztésére."

A Borodin és Wang csoport által kitalált akkumulátor-tervezés 99,9 százalékos coulombic [elektromos töltés alapegysége] hatékonyságot mutatott, ami azt jelentette, hogy az energia csak 0,1 százaléka veszett el az elektrolit lebontása során minden ciklusban.

Ez jelentős előrelépés a szilíciumanóddal ellátott lítium-ion akkumulátorok hagyományos kialakításaihoz képest, amelyek 99,5 százalékos hatékonysággal rendelkeznek. Míg látszólag kicsi, Borodin szerint ez a különbség több mint ötször hosszabb ciklusidőt jelent.

"A Marylandi Egyetemen Dr. Chunsheng Wang csoportja által végzett kísérletek azt mutatták, hogy ez az új módszer sikeres volt" - mondta Borodin. "Azonban nemcsak a szilícium, hanem az alumínium és a bizmut anódok esetében is sikeres volt, ami megmutatja az elv egyetemességét."

Az új kialakítás számos más előnnyel is járt. Az akkumulátor nagyobb kapacitása lehetővé tette, hogy az elektróda jelentősen vékonyabb legyen, ami sokkal gyorsabbá tette a töltési időt, és maga az akkumulátor is sokkal könnyebbé vált. Ezenkívül a kutatók megállapították, hogy az akkumulátor jobban képes kezelni a hidegebb hőmérsékleteket, mint a normál akkumulátorok.

"A szokásos akkumulátorok esetében a hidegebb hőmérséklet lassítja a diffúziót, és akár az elemek belsejében lévő folyadékokat is megfagyhatja" - mondta Borodin. "De mivel a tervezésünk sokkal nagyobb kapacitással rendelkezik, ezért az ionoknak rövidebb távolságokat kell diffundálniuk, ami jelentősen javítja az alacsony hőmérsékletű működést, ami fontos a hideg éghajlaton működő harcosok számára."

A csapat megköszönte az ARL Enterprise for Multiscale Modeling of Materials program támogatását az eddigi kutatási erőfeszítések során.

Borodin szerint a kutatás következő lépése egy nagyobb, nagyobb feszültségű cella kifejlesztése ennek a kialakításnak a felhasználásával. Ennek a célnak a fényében a csapat jelenleg a lítium-ion akkumulátor katód oldalán történő előrelépéseket vizsgálja.