Новые возможности для развития высокой энергией батареи

В последние годы литий-ионные аккумуляторы стали лучше, поставляя энергию для солдат в полевых условиях, но нынешнее поколение батарей не достигает своего максимального энергетического потенциала. Исследователи армии предельно сконцентрированы на решении этой задачи и обеспечения питания военнослужащих спроса.

В армии США боевые возможности командной разработки армейской научно-исследовательской лаборатории, в сотрудничестве с Университетом Мэриленда, ученые, возможно, нашли решение.

«Мы очень рады возможности продемонстрировать новый дизайн электролита для литий-ионных аккумуляторов, что повышает потенциал анода более чем в пять раз по сравнению с традиционными методами», — сказал армейский ученый Олег Бородин. «Это следующий шаг для того, чтобы перенести эту технологию ближе к коммерциализации».

Команда разработала самовосстановления, защитный слой, в батареи, что существенно замедляет электролит и кремний анодный процесс деградации, который может продлить продолжительность жизни следующего литий-ионных батарей нового поколения.

Их последняя конструкция батареи увеличено количество возможных циклов от десятков до более сотни с небольшим ухудшением. Журнал Nature Energy опубликовала свои выводы.

Вот как батарея работает. Батарейка хранит химическую энергию и преобразует ее в электрическую энергию. Аккумуляторы имеют три части, анод (-), катод (+), и электролита. Анод-это электрод, через который в обычных ток поступает в поляризованный электрический прибор. Это контрастирует с катодом, через который ток уходит электрическое устройство.

Электролит сохраняет электронов от анода к катоду в батарее. Для того, чтобы создать лучшие батареи, сказал Бородин, вы можете увеличить емкость анода и катода, а электролит должен быть совместимым между собой.

Литий-ионные аккумуляторы обычно используют графитовые аноды, которые имеют мощность около 370 миллиампер-часах (мАч) на грамм. Но аноды, изготовленные из кремния может предложить около 1500 до 2800 мАч на грамм, или, по крайней мере, в четыре раза больше мощности.

Исследователи отмечают кремниевых анодов частица, в отличие от традиционных графитовых анодов, обеспечивает превосходную альтернативу, но они тоже деградируют гораздо быстрее. В отличие от графита, кремния расширяется и сжимается во время работы батареи. В качестве наночастиц кремния в аноде получить больше, они часто трескаются защитного слоя, называемого межфазного твердого электролита … что окружает анод.

Твердый электролит формы межфазной естественно, когда частицы анода сделает прямой контакт с электролитом. В результате барьер препятствует дальнейшему реакций и отделяющая анод от электролита. Но когда этот защитный слой будет поврежден, недавно открытых частиц анод будет постоянно реагировать с электролитом, пока он не закончится.

«Другие пытались решить эту проблему путем создания защитного слоя, который расширяется, когда кремниевый анод делает», — сказал Бородин. «Однако эти методы до сих пор вызывают некоторую деградацию электролита, что существенно сокращает срок службы анода и аккумулятор».

Совместная группа из Мэрилендского университета и научно-исследовательской лаборатории армии решил попробовать новый подход. Вместо упругого барьера, ученые разработали жесткий барьер, который не развалится-даже если наночастиц кремния расширяться. Они разработали литий-ионный аккумулятор с электролитом, который образуется твердого фторида лития твердый электролит интерфаза, или Сэй, когда электролит взаимодействует с частицами кремния анода и существенно сократить деградации электролита.

«Мы успешно избегали ГБОУ повреждения путем формирования керамических СЭИ, который имеет низкое сродство к литированного кремний частицами, так что литированного кремния может переехать в интерфейсе во время изменения громкости без повреждения СЭИ», — сказал профессор Ван Чуньшен, профессор химической и биомолекулярной инженерии в Университете штата Мэриленд. «Принцип конструкции электролита является универсальной для всех сплавов аноды и открывает новые возможности для развития высокой энергией батареи.»

Дизайн батареи, что группа задумана Бородин и Ван продемонстрировал кулоновских [основной единицей электрического заряда] КПД 99,9%, что означает, что только 0,1% энергии теряется на деградацию электролита каждого цикла.

Это значительное улучшение по сравнению с обычными конструкциями для литий-ионных батарей с кремниевыми анодами, которые в 99,5-процентную эффективность. Хотя, казалось бы, небольшой, — сказал Бородин эта разница выливается в жизненный цикл более чем в пять раз дольше.

«Эксперименты, проведенные группой доктор Ван Чуньшэн в Университете штата Мэриленд показали, что этот новый метод был успешно», — сказал Бородин. «Тем не менее, он был успешным не только для кремния, но и для алюминия и анодов висмут, которое демонстрирует универсальность принципа.»

Новый дизайн также вышли с рядом других преимуществ. Большая емкость аккумулятора позволили электрод значительно тоньше, что сделало время зарядки намного быстрее и батарея себя намного легче. Кроме того, исследователи обнаружили, что батарея может обрабатывать более низких температурах лучше, чем обычные батареи.

«Для обычных батарей, холодные температуры замедляют диффузию и может даже заморозить жидкостей внутри батарей», — сказал Бородин. «А потому, что наша конструкция имеет гораздо большую емкость, таким образом, ионы должны диффундировать на короткие расстояния, в результате чего существенно улучшается качество работы при низких температурах, что важно для подразделений, работающих в холодном климате.»

Команда благодарит предприятия АРЛ для Многомасштабного моделирования материалов программы по ее поддержке в период научно-исследовательской работы так далеко.

По словам Бородина, следующим шагом в исследовании является разработка крупных клеток с большим напряжением, используя эти конструкции. В свете этой цели, команда в настоящее время изучает прогресс в сторону катода литий-ионного аккумулятора.

сделать разницу: спонсорские возможности