Эластичные пластиковые электролитов может включить новый литий-ионный аккумулятор дизайн

Литий-ионный аккумулятор показаны с использованием новых перспективных катода и электролита система, которая заменяет дорогостоящие металлы и традиционного жидкого электролита с более низкой стоимости переходных металлов, фторидов и твердого полимерного электролита. Кредит: Элисон Картер

Растущую популярность литий-ионных батарей в последние годы оказывали давление на мировые поставки кобальта и никеля—двух металлов неотъемлемой частью современного дизайна—и батарея цены растущие.

В попытке разработать альтернативные проекты на основе лития батареи с меньшим упором на те дефицитные металлы, исследователи из Технологического института Джорджии разработали новый перспективный катода и электролита система, которая заменяет дорогостоящие металлы и традиционного жидкого электролита с меньшими затратами переходных металлов, фторидов и твердого полимерного электролита.

«Электродов из переходных металлов фториды давно доказали, проблемы стабильности и быстрому выходу из строя, что приводит к значительным скептицизм по поводу их способности использоваться в батареях следующего поколения», — сказал Глеб Юшин, профессор в школе штата Джорджия материаловедения и инженерии. «Но мы показали, что при использовании с твердым полимерным электролитом, фторидами металлов проявляют поразительную стабильность даже при высоких температурах, которые могут в конечном итоге привести к безопаснее, легче и дешевле литий-ионных аккумуляторов».

В типичной литий-ионной батареи, энергия высвобождается при переносе ионов лития между двумя электродами—анодом и катодом, а катод, содержащий лития и переходных металлов, таких как кобальт, никель и марганец. Поток ионов между электродами через жидкий электролит.

Для исследования, которое было опубликовано в сентябре. 9 в журнале характер материалов и спонсирует армию исследовательский отдел, исследовательская группа производство нового типа катода из железа фторид-активным веществом и твердым полимерным электролитом нанокомпозита. Железо фториды имеют более чем удвоить емкость литиевых традиционных кобальт — или никелевых катодов. Кроме того, железа в 300 раз дешевле, чем кобальт и 150 раз дешевле, чем никель.

Для изготовления такого катода, исследователи разработали процесс для проникновения твердого полимерного электролита в сборные железо фтор-селективного электрода. Затем они горячие отжатые всю конструкцию, чтобы увеличить плотность и уменьшить какие-то пустоты.

Глеб Юшин, профессор Технологического института Джорджии школы материаловедения и инженерии и Константин Turcheniuk, научный сотрудник в лаборатории Юшин, проверить батареи с использованием нового катодного дизайн, который заменяет дорогостоящие металлы и традиционного жидкого электролита с более низкой стоимостью переходных металлов, фторидов и твердого полимерного электролита. Кредит: Элисон Картер

Два центральных особенностей полимерной основе электролита является его способность к деформации и разместить отек фторид железа при езде на велосипеде и его способность образовывать очень стабильные и гибкие межфазных с фторид железа. Традиционно считается, что отеки и массивный побочные реакции были основные проблемы с использованием фторид железа в предыдущей конструкции батареи.

«Катодов, изготовленных из железа и фтора имеют огромный потенциал из-за их высокой производительностью, низкими материальными затратами и очень широкая доступность железа», — сказал Юшин. «Но изменения громкости во время езды на велосипеде а также паразитарные побочные реакции с жидкостью электролиты и другие вопросы деградации общества ранее их использования. С использованием твердого электролита с упругими свойствами, решает многие из этих проблем».

Затем исследователи протестировали несколько вариантов из новые твердотельные батареи для анализа их производительности более чем 300 циклов заряда и разряда при повышенных температуре 122 градуса по Фаренгейту, отметив, что они превзошли предыдущие конструкции с использованием металла, фторида даже если это были храниться в прохладном месте при комнатной температуре.

Исследователи обнаружили, что ключ к повышению производительности батареи был твердым полимерным электролитом. В предыдущие попытки использовать металлические фториды, считалось, что металлические ионы переносятся к поверхности катода и в конце концов растворяется в жидкий электролит, вызывая потерю мощности, особенно при повышенных температурах. Кроме того, фторидами металлов, катализируемой массовое разложение жидких электролитов, когда клетки были выше 100 градусов по Фаренгейту. Тем не менее, связь между ними твердый электролит и катод, такого растворения не происходит и твердый электролит остается удивительно стабильным, предотвращение таких нарушений, пишут исследователи.

«Полимерного электролита мы использовали, было очень распространенным, но и многие другие твердые электролиты и другие батареи и электрода архитектур, таких как ядро-оболочка частиц морфологии—должна быть возможность аналогично резко уменьшить или даже полностью предотвратить паразитные побочные реакции и достичь стабильных характеристик», — сказал Константин Turcheniuk, научным сотрудником Юшин лаборатории и соавтор статьи.

В дальнейшем исследователи намерены разрабатывать новые и усовершенствованные твердые электролиты для того чтобы включить быструю зарядку, а также комбинировать твердые и жидкие электролиты в новые проекты, которые полностью совместимы с традиционными технологиями изготовления клеток, занятых на крупных фабриках батареи.

Дальнейшего изучения

Исследование: Новый растворителей, один литий-ионный проведение ковалентные органические структуры

Более подробная информация:
Цяо Хуанг и др., цикла стабильность преобразования-тип фторид железа лития батареи катода при повышенных температурах в полимерных электролитов, композиционных материалов, материалов природы (2019). Дои: 10.1038/s41563-019-0472-7

Журнал information:
Природные Материалы

Предусмотрено
Технологический институт Джорджии