Новая твердая литиевая батарея: потеря 2% от 120-кратной емкости зарядки и разрядки с функцией самозарядки

Литий-воздушные батареи обеспечивают большую мощность при том же весе и поэтому широко используются в электромобилях и других мобильных электронных устройствах. Однако литий-воздушные батареи имеют много недостатков: высокое тепловыделение (большое количество химической энергии преобразуется в тепловую энергию и не передается оборудованию), короткий срок службы, дорогие и сложные производственные процессы (зарядка воздуха в батарею требует дорогостоящего оборудования и очень хлопотно).

Недавно Лиджу, профессор ядерной инженерии в Массачусетском технологическом институте, и Жужи и пять других авторов, работающих в Массачусетском технологическом институте, Аргоннской национальной лаборатории и Пекинском университете, написали в журнале Nature Energy. Сообщается о новой технологии, называемой «нанолитиевый катод», которая может быть использована для изготовления закрытых литиевых батарей со свойствами, аналогичными литий-воздушным батареям, для преодоления вышеуказанных проблем.

Лиджу сказал, что одной из слабых сторон литий-воздушных батарей является то, что напряжение зарядки и разрядки меняется, а напряжение разряда на 1,2 вольта ниже, чем напряжение зарядки, поэтому энергия, теряемая в виде тепловой энергии во время каждого процесса зарядки, составляет до 30%. «Если вы заряжаете слишком быстро, литиевая батарея может сгореть».

Заблокируйте газ.

Когда традиционные литий-воздушные батареи разряжаются, они используют кислород воздуха для реакции с литием в батарее. При зарядке кислород в оксиде лития выделяется в атмосферу.

В новой батарее с литиевым катодом нанометрового диапазона также используются кислород и литий. Разница в том, что при разряде кислород больше не выделяется в виде газа, а находится в твердом теле. В частности, кислород заключен в трех твердых соединениях - Li2O, Li2O2 и LiO2 - в трех окислительных состояниях, и эти три вещества заключены в стекло из диоксида кобальта.

Преимущество этого заключается в том, что батарея с нанолитиевым катодом снижает разницу напряжений при зарядке и разрядке в пять раз - с 1,2 вольт до 0,24 вольт, поэтому при зарядке теряется только 8% энергии в виде тепловой энергии. Это означает, что автомобильные аккумуляторы можно заряжать быстрее, не беспокоясь о возгорании из-за перегрева.

Второй недостаток литий-воздушных батарей состоит в том, что кислород, выделяющийся в виде газа, разрушает ионные каналы в батарее, тем самым сокращая срок службы литиевых батарей.

В новой технологии используется стекло из диоксида кобальта для обертывания лития и кислорода в наноразмерном пространстве. Ученые называют эту структуру нанолитием. Таким образом, превращения LiO2, Li2O2 и Li2O не изменяют макроскопическую структуру материала. Кроме того, поскольку сами частицы нанолития очень нестабильны, энергии стекла из диоксида кобальта с наноразмерными каналами достаточно для их стабилизации. Диоксид кобальта также играет роль катализатора при зарядке и разрядке.

Лиджу сказал, что традиционные литий-воздушные батареи на самом деле являются только литий-кислородными батареями, потому что водяной пар и углекислый газ в воздухе вступают в реакцию с литием, поэтому литий-воздушные батареи должны быть оснащены огромными вспомогательными системами для удаления водяного пара и углекислого газа. Это очень сложный шаг. У новой твердотельной литиевой батареи больше нет этой проблемы.

Автономная функция перезарядки

Новый твердый литиевый аккумулятор также имеет собственную функцию защиты от заряда, поскольку химическая реакция в аккумуляторе саморегулируется за счет отрицательной обратной связи, и когда электричество полностью заряжено, реакция автоматически останавливается. Если традиционный аккумулятор перезарядится, это приведет к необратимому повреждению аккумулятора и даже к взрыву. Однако твердые литиевые батареи непрерывно заряжались в течение 15 дней в эксперименте, и заряд был в 100 раз больше емкости батареи, но батарея осталась невредимой.

В эксперименте по зарядке и разрядке твердый литиевый аккумулятор был перезаряжен 120 раз, и емкость была потеряна всего на 2%, что означает, что он намного превышает срок службы традиционной литий-воздушной батареи. Поскольку твердотельные литиевые батареи не требуют дополнительной системы очистки воздуха, их можно легко применить в электромобилях и даже на станциях хранения в сети.

Поскольку твердый кислородный катод намного легче, чем катод литий-ионной батареи, новая твердотельная литиевая батарея может хранить в два раза больше энергии, чем литий-ионная батарея эквивалентного веса. С усовершенствованием технологий мощность нового аккумулятора снова может быть увеличена вдвое.

Большим преимуществом нового аккумулятора является то, что он не требует использования дорогих и редких материалов. Карбонатный электролит аккумулятора очень дешев. Кроме того, стекло из диоксида кобальта на 50% легче частиц нанолития. Следовательно, по сравнению с воздушно-литиевыми батареями новые батареи очень дешевы, безопасны и имеют потенциал для крупномасштабного применения. Исследовательская группа планирует завершить производство практических прототипов в течение одного года.

Джиксулей, адъюнкт-профессор Университета штата Орегон, который не участвовал в проекте, сказал, что новая технология литиевых батарей привела к значительным улучшениям по сравнению с обычными воздушно-литиевыми батареями. Растворенный супероксид хорошо работает в карбонатном диэлектрике и вообще не требует вмешательства кислорода. В процессе зарядки и разрядки все катодные материалы остаются твердыми, поэтому установка и использование новой батареи очень удобны.

Страница содержит содержимое машинного перевода.