Устранение трех дефектов литий-ионной батареи с помощью новой твердотельной батареи

Первая полностью твердотельная батарея была разработана группой инженеров под руководством 94-летнего Джона Гуденаф, профессора инженерной школы Остина Техасского университета и одного из изобретателей литиевых батарей. Более безопасная, быстрая зарядка и более длительный срок службы аккумуляторных батарей предоставят новые возможности для смартфонов, электромобилей и станций хранения энергии.

Джон Гуденаф, один из изобретателей литиевых батарей, в своей лаборатории материалов для батарей: Кокрановский инженерный колледж.

Гуденаф вместе с Марией Хеленой Брага, старшим научным сотрудником Кокрейновского колледжа, совершили прорыв. Преимущества разработанной ими недорогой твердотельной батареи: не только отсутствие риска возгорания, но и длительный срок службы, высокая удельная энергия и быстрая зарядка и разрядка. Результаты опубликованы в журнале Energy and the Environment.

«Стоимость, безопасность, плотность энергии, скорость зарядки и разрядки, а также срок службы являются важными факторами, которые определяют, могут ли электромобили быть приняты обществом. Мы считаем, что этот результат решил многие проблемы, с которыми сегодня сталкиваются аккумуляторные батареи», - сказал Гуденаф.

Исследователи продемонстрировали, что плотность энергии новой батареи в три раза выше, чем у современных литиевых батарей. Для электромобиля плотность энергии аккумулятора определяет его пробег. Чем выше удельная энергия аккумулятора, тем дальше автомобиль может работать после каждой зарядки. Эта новая формула батареи также увеличивает время зарядки и разрядки батареи, что, в свою очередь, продлевает срок ее службы. Кроме того, новый аккумулятор заряжается быстрее (в течение нескольких минут это уже не обычные часы).

В современных литиевых батареях используются жидкие электролиты для переноса ионов лития с анода (отрицательный электрод батареи) на катод (положительный электрод батареи). Если аккумулятор заряжается слишком быстро, дендриты, также известные как «металлические усы», образуются в аккумуляторе и проникают в жидкий электролит с образованием короткого замыкания, которое может вызвать взрыв или пожар. Отказавшись от жидких электролитов, исследователи использовали стеклянный электролит, который позволил исследователям использовать щелочные металлы в качестве электродов без образования дендритов.

В традиционных батареях щелочные металлы (литий, натрий, калий) нельзя использовать в качестве электродов. Но в твердотельных батареях электроды из щелочных металлов увеличивают удельную энергию катода, а также продлевают срок службы батареи. Исследователи в лаборатории обнаружили, что аккумулятор может заряжаться и разряжаться более 1200 раз без сохранения низкого сопротивления лотка.

Кроме того, поскольку электролит твердотельной батареи может поддерживать высокую проводимость при минус 20 градусах Цельсия, автомобиль, использующий эту батарею, может нормально работать при минусовых температурах. Эта полностью прочная батарея также может работать при температуре минус 60 градусов по Цельсию.

Крага, старший научный сотрудник Кокрановского колледжа, начал разработку батарей с твердым электролитом в Университете Порту в Португалии. Два года назад она начала работать над проектом с профессором Гуденаф, исследователем из Университета Остина Эндрю Дж. Мерчисоном. Брага также сообщил, что именно понимание профессором Гуденафом состава и природы твердых стеклянных электролитов позволило применить его в батареях - технология, запатентованная Управлением коммерциализации технологий Университета Остина.

Стеклянный электролит позволяет исследователям наносить щелочные металлы на анод и катод, не беспокоясь об образовании дендритов, а также упрощает процесс производства батарей.

Еще одним преимуществом этой батареи является то, что материал изготовления не влияет на окружающую среду. «Стеклянные электролиты могут заменить литий натрием, который широко распространен в морской воде и легко доступен», - сказал Брага.

Профессор Гуденаф и Грага продолжают исследования батарей и подают заявки на патенты. Затем они надеются сотрудничать с производителями аккумуляторов для разработки и тестирования новых аккумуляторов для электромобилей и устройств хранения энергии.

Страница содержит содержимое машинного перевода.