Новая разряженная литиевая батарея, передний план приложения за гранью воображения

В новой концепции катода батареи наночастицы соединений оксида лития встроены в губчатую решетку оксида кобальта, чтобы поддерживать стабильность батареи. В то же время материал может быть упакован в батареи, аналогичные традиционным герметичным батареям, но может обеспечивать больше энергии.

В электромобилях и портативных электронных устройствах литий-воздушные батареи имеют светлое будущее, потому что они могут обеспечивать более высокую энергию при том же качестве. Но у батарей есть и большие недостатки: они теряют много энергии в виде тепла, и батареи постепенно разрушаются. Более того, они также требуют дорогостоящих дополнительных компонентов для транспортировки или вывода кислорода. Это открытая конструкция батареи, которая противоположна традиционным герметичным батареям.

Но химический аккумулятор можно использовать в традиционном, полностью герметичном аккумуляторе. Это новое изменение указывает на то, что аналогичные теоретические свойства могут быть применены к воздушно-литиевым батареям, преодолевая все эти недостатки. Катодная батарея под названием нанолития - это новая концепция батареи, которая была опубликована в статье в журнале NatureEnergy через JuLi и докторскую диссертацию ZiZhu, а также пять человек из Массачусетского технологического института. Джули - профессор Альянса ядерной науки и техники Battle Energy в Массачусетском технологическом институте. Массачусетский технологический институт создан Аргоннской национальной лабораторией и Пекинским университетом в Китае.

Ли объяснил, что одним из недостатков воздушно-литиевых батарей является несоответствие напряжения между заряженными и разряженными батареями. Выходное напряжение аккумулятора превышает 1,2 вольта, но напряжение в это время ниже, чем напряжение, используемое для зарядки. Очевидно, что во время каждого цикла зарядки происходит потеря мощности. «Вы тратите 30 процентов своего электричества на тепло, когда заряжаете его, и на самом деле, если вы заряжаете его слишком быстро, аккумулятор может сгореть», - сказал он. "

Традиционные воздушно-литиевые батареи поглощают кислород из внешнего воздуха во время цикла разрядки, чтобы запустить химическую реакцию, а кислород снова выделяется в атмосферу во время обратной реакции цикла зарядки. В новом цикле зарядки и разрядки электрохимическая реакция между литием и кислородом происходит как обычно, но реакция в это время больше не переводит кислород в газообразную форму.

Напротив, кислород существует внутри твердого вещества и непосредственно окислительно-восстановительно превращается между его тремя валентными состояниями, в то время как он связан с тремя различными твердыми соединениями Li2O, Li2O2 и LiO2 и смешивает их в чашке. Это снижает потери напряжения на одну пятую, с 1,2 В до 0,42 В, так что только 8% электричества становится горячим. «Для автомобилей это означает более быструю зарядку, меньшее тепловыделение от аккумуляторов и лучшую энергоэффективность», - сказал Ли. "

Этот метод помогает преодолеть еще один недостаток воздушно-литиевых батарей: по мере протекания процесса зарядки и разрядки электрохимических реакций кислород преобразуется между газом и твердыми частицами. В это время материал должен претерпеть огромное изменение объема, тем самым нарушая проводящий путь в конструкции, что, в свою очередь, сильно ограничивает срок его службы. Новая идея заключается в создании наноразмерных частиц, содержащих литий и кислород в чашке, так что они плотно ограничены решеткой оксида кобальта.

Исследователи определили эти частицы как нанолити. В этой форме LiO2, Li2O2 и Li2O могут находиться внутри твердых материалов. Частицы нанолития обычно очень нестабильны, поэтому исследователи внедрили их в решетку оксида кобальта, образуя губчатый материал с диаметром пор всего несколько нанометров. Эта модель способствует стабильности частиц, а также может действовать как катализатор их преобразования.

Ли объяснил: «Традиционные воздушно-литиевые батареи - это действительно сухие батареи, потому что из них трудно удалить воду и углекислый газ». Поэтому поступающий воздух необходимо тщательно очищать и закачивать в аккумулятор. Вам нужно много вспомогательных систем для удаления углекислого газа и влаги, что часто бывает трудно сделать. Но новой батарее не нужен внешний воздух, чтобы избежать этой проблемы. Команда также отметила, что сам новый аккумулятор будет защищен перезарядкой, и в этом случае химическая реакция будет ограничена. При перезарядке реакция трансформируется в другую форму, препятствуя дальнейшим реакциям.

Ли сказал: «Для типичной батареи перезарядка может привести к необратимым повреждениям или взрыву, но для нанолитовой батареи мы перезаряжаем в течение 15 дней ее емкость в 100 раз, и это не вызовет никаких повреждений». В круговом эксперименте новая лабораторная версия батареи показала потерю емкости менее 2% за 120 циклов, что указывает на длительный срок службы батареи. Поскольку воздушно-литиевые элементы могут устанавливаться и эксплуатироваться как традиционные твердые литий-ионные элементы, без каких-либо вспомогательных компонентов, их можно легко адаптировать к существующим устройствам или обычным автомобилям, электронике и даже накопителям энергии в масштабе энергосистемы.

Члены команды заявили: «Поскольку эти катоды из« твердого кислорода »легче, чем традиционные катоды литий-ионных аккумуляторов, новая конструкция может хранить в два раза больше энергии при заданном весе катода». «При дальнейшем развитии батарея в конечном итоге снова сможет удвоить свою емкость», - сказал Ли. «Для всего не требуются дорогостоящие компоненты или материалы», - сказал Ли. Например, электролиты, которые они используют, являются самыми дешевыми карбонатами. «Оксид кобальта менее чем на 50 процентов тяжелее нанолития», - сказал Ли. «Короче говоря, новая система батарей, которая дешевая, очень масштабируема и безопаснее, чем воздушно-литиевые батареи». Я считаю, что перспективы ее применения будут безграничными.

Страница содержит содержимое машинного перевода.