Пути к реализации обещания все-твердотельные аккумуляторы

Когда дело доходит до батареи, всегда есть области для улучшения: гонка на разработку батарей, которые дешевле, безопаснее, более прочный, более энергоемкий, и легко перерабатывается.

В обзорной статье, опубликованной в марте 2020 вопросу о природе нанотехнологий, nanoengineers Калифорнийского университета Сан-Диего предлагают план исследования, который включает четыре задачи, которые необходимо решить в целях продвижения перспективного класса батарей-все-твердотельные батареи — до коммерциализации. В этой статье кратко описана работа в команде для решения этих проблем за последние три года, которые были зарегистрированы в нескольких рецензируемых статей, опубликованных в различных журналах.

В отличие от современных литий-ионных батарей, которые содержат жидкие электролиты, которые часто воспламеняются, аккумуляторы с твердыми электролитами дают возможность большей безопасности, в дополнение к целому ряду преимуществ, включая более высокую плотность энергии.

В природе обзорная статья нанотехнологии, исследователи сосредоточены на неорганических твердых электролитов, таких как керамических оксидов или сульфидных очки. Неорганические твердые электролиты представляют собой относительно новый класс твердых электролитов для ВС-тверд-положения батареи (в отличие от органических твердых электролитов, которые более широко изучаются.)

Дорожная карта: неорганические электролиты для всех-твердотельные аккумуляторы

Далее следует Краткое описание «дорожной карты», что исследователи описывают в своей статье комментарий:

1) создание стабильных твердый электролит химического интерфейсы

2) новые инструменты в operando диагностики и характеризации

3) масштабируемой и экономически эффективной технологичности

4) аккумуляторы, предназначенные для переработки

«Нам крайне важно сделать шаг назад и подумать о том, как решить одновременно эти проблемы, потому что они все взаимосвязаны», — говорит Ширли Менг, профессор наноинженерии в школе Калифорнийского университета, Сан-Диего Jacobs в технических. «Если мы собираемся сделать хорошо на обещание все-твердотельные батареи, мы должны найти решения всех этих проблем одновременно.»

Как директор UC Сан-Диего устойчивой энергетики и Энергетического центра и директор Калифорнийского университета, Сан-Диего института по материалам Discovery и дизайн, Мэн является одним из ключевых членов группы исследователей в Авангарде все твердотельные батареи научные исследования и разработки в Калифорнийском университете в Сан-Диего.

Создание стабильных твердый электролит химического интерфейсы

Твердотельные электролиты прошли долгий путь с тех ранних дней, когда впервые обнаружил электролиты были выставлены значения электропроводности слишком мала для практических применений. Современные твердотельные электролиты показывают проводимости выше, чем даже у обычных жидких электролитов, используемых в современных батарей (более 10 мс см-1). Ионная проводимость относится к тому, как быстро ионы лития могут перемещаться в электролит.

К сожалению, наиболее высокую проводимость сообщили твердых электролитов часто электрохимически нестабильны и сталкиваются с проблемами при применении против электродных материалов, используемых в аккумуляторных батареях.

«На данный момент, мы должны переключить наше внимание от чеканка высокой ионной проводимостью. Вместо этого мы должны сосредоточиться на стабильности между твердотельные электролиты и электроды,» говорит Менг.

Если ионная проводимость является аналогом как быстро автомобиль может управляться, то интерфейс стабильность относится к тому, как трудно дозвониться в час пик. Неважно, как быстро ваш автомобиль может пойти, если вы застряли в пробке по дороге на работу.

Исследователи Калифорнийского университета в Сан-Диего недавно обратился с этим узким местом стабильность интерфейс, демонстрирующий, как стабилизировать электрод-электролит и повысить производительность батареи с использованием твердых электролитов с умеренной ионной проводимостью, но демонстрирующих стабильные интерфейсы.

Новые инструменты в диагностике operando и характеристика

Почему батареи не получится? Почему короткое замыкание произойти? Процесс понимания того, что происходит внутри батареи требует характеристика вплоть до наноразмерных, в идеале в реальном времени. Для всех-твердотельные батареи, это очень сложно.

Батарея характеристика, как правило, основывается на использовании зондов, таких как X-лучей или электронов или оптической микроскопии. В коммерческих литий-ионных аккумуляторов используются жидкие электролиты являются прозрачными, позволяя наблюдения различных явлений на соответствующие электроды. В некоторых случаях эта жидкость может также быть смыты, чтобы обеспечить чистый поверхности с высоким разрешением характеристики.

«У нас есть намного более легкое время, наблюдая сегодняшние литий-ионные батареи. Но все-твердотельные батареи, все твердые или похоронен. Если попробовать те же методы для всех-твердотельные батареи, как будто пытаясь разглядеть сквозь кирпичную стену», — сказал Даррен С. Х. Тан, а наноинженерии кандидат в школе Калифорнийского университета, Сан-Диего Jacobs в технических.

Кроме того, твердые электролиты и металлический литий применяется в твердотельных батарей могут быть чувствительны к повреждению электронного пучка. Это означает, что стандартные методы электронная микроскопия используется для исследования батарей может привести к повреждению материалов, прежде чем они могут быть соблюдены и характеризуется.

Один из способов исследователей Калифорнийского университета, Сан-Диего решения этих проблем является использование криогенных методов, чтобы сохранить материалы батареи прохладные, смягчающие их разложения под микроскопом зонд.

Другой инструмент, используемый для преодоления препятствий, характеризующий твердый электролит интерфейсов рентгеновской томографии. Это похоже на то, что люди пройти во время диспансеризации. Этот подход был использован в недавней работе отчетов о наблюдении, не открывая и не нарушая самой батареи — литий-дендриты похоронены в твердый электролит.

Масштабируемое и рентабельное технологичность

Прорывы в исследовании батареи часто не значат, если они не масштабируемы. Это включает в себя авансы для всех-твердотельные батареи. Если этот класс батарей должна выйти на рынок в течение ближайших нескольких лет, сообщество аккумулятор должен способов производства и обработки их чувствительных составляющих материалов экономически эффективно и в больших масштабах.

За последние несколько десятилетий, исследователи разработали в лаборатории-различные твердоэлектролитных материалов, которые обладают химическими свойствами, которые идеально подходят для батарей. К сожалению, многие из таких перспективных материалов являются либо слишком дорого, либо слишком сложно масштабировать для больших объемов производства. Например, многие становятся очень хрупкими, когда сделал достаточно тонкой, для крен-к-крена производство, которое требует толщиной до 30 мкм.

Кроме того, методы получения твердых электролитов в больших масштабах не установлены. Например, большинство протоколов синтеза требуется несколько энергетических процессов, включающих в себя несколько филировать, термического отжига и решения этапов обработки.

Чтобы преодолеть такие ограничения, исследователи в Калифорнийском университете в Сан-Диего объединение нескольких областях знаний. Они объединяют керамика используется в традиционной материаловедения с полимерами, которые используются в органической химии для разработки гибкой и стабильной твердых электролитов, совместимые с масштабируемые производственные процессы. Для решения проблем материального синтеза, команда также сообщает, как твердый электролит материалы могут быть масштабируемо производится с помощью пошагового изготовления без дополнительного отжига шагов.

Аккумуляторы, предназначенные для переработки

Отработанные аккумуляторы содержат ценный и ограниченный-обилие материалов, таких как литий и кобальт, которые могут быть повторно использованы.

Когда они достигают конца своего жизненного цикла, эти батареи нужно куда-то ехать, иначе они просто накапливаются с течением времени, как мусора.

Современных методов переработки, однако, часто являются дорогостоящими, энерго-и трудоемким, и включают в себя токсичных химических веществ для обработки. Кроме того, эти методы восстановить только небольшую часть материалов батареи из-за низких темпов утилизации электролитов, солей лития, сепаратор, добавок и упаковочных материалов. Во многом, это потому, что нынешние аккумуляторы не предназначены с экономичной переработки в виду с самого начала.

Исследователи Калифорнийского университета, Сан-Диего находятся на переднем крае усилий по разработке повторного использования и переработки в завтра все-твердотельные батареи.

«Экономически эффективного повторного использования и переработки должны быть зафиксированы в будущие достижения, которые необходимы для развития всех-твердотельные батареи, которые обеспечивают высокую плотность энергии до 500 ватт-часов на килограмм или лучше», — сказал профессор наноинженерии Калифорнийского университета, Сан-Диего Чжэн Чэнь. «Очень важно, что мы не делаем то же рециркуляции ошибок, которые были сделаны с литий-ионных батарей».

Батареи также должны быть разработаны с учетом их полного жизненного цикла в виду. Это означает разработку батарей, которые должны остаться в использовании и после их падения ниже 60 до 80 процентов от их первоначальной емкости, что часто означает конец срока службы аккумулятора. Это может быть сделано путем изучения вторичного использования батарей, таких как стационарного хранения или для аварийного питания, продлевая их срок службы, прежде чем они наконец попали в центры утилизации.

Все-твердотельные аккумуляторы с органическими электролитами являются многообещающими в будущем технология батареи, которые обеспечивают высокую плотность энергии, безопасность, долгое время жизни и переработки. Но чтобы превратить эти возможности в реальность потребует стратегических исследований, которые считают, как нерешенные проблемы, в том числе переработки, взаимосвязаны.

сделать разницу: спонсорские возможности