Аккумулятор с металлическим литием

Перезаряжаемый литий-металлический аккумулятор — Rechargeable lithium metal battery

Перезаряжаемые литий-металлические батареи представляют собой вторичные литий-металлические батареи . У них металлический литий в качестве отрицательного электрода , который иногда называют анодом батареи . Перезаряжаемые литий-металлические батареи могут иметь длительный срок службы из-за высокой плотности заряда лития как анодного материала. Несколько компаний и многие академические исследовательские группы в настоящее время исследуют и разрабатывают перезаряжаемые литий-металлические батареи, поскольку они считаются ведущим путем развития помимо литий-ионных батарей. В некоторых перезаряжаемых литий-металлических батареях используется жидкий электролит, а в некоторых — твердотельный. .

СОДЕРЖАНИЕ

История

Перезаряжаемая литий-металлическая батарея была коммерциализирована компанией Moli Energy (теперь известной как E-One Moli Energy ) в 1980-х годах, но после того, как несколько элементов загорелись, устройства, использующие батареи Moli, были отозваны, и компания перешла на прием.

Направления исследований

Основными проблемами при разработке практических перезаряжаемых литий-металлических батарей являются низкий срок службы элементов из-за низкой кулоновской эффективности и низкая надежность из-за образования дендритов, вызывающих короткое замыкание. Усилия по повышению производительности сосредоточены вокруг выбора электролита, поскольку реакция электролита с литием диктует кулоновскую эффективность, а электролит сепаратора должен противостоять образованию дендритов.

Жидкий электролит

Направления исследований включают системы с высоким содержанием солей, добавки или фторсодержащие электролиты, которые образуют слои поверхности раздела твердый электролит (SEI) на литии и инкапсулируют литий внутри защитных оболочек.

Твердотельный электролит

Твердые полимерные электролиты, такие как полиэтиленоксид (ПЭО), исследуются десятилетиями, но для достижения разумного срока службы и надежности требуются высокотемпературные, низковольтные катоды и низкие плотности тока. Композиты неорганических полимеров были изучены, чтобы найти гибкую систему, пригодную для обработки. Были изучены многие семейства неорганических материалов, включая LiPON, борогидрид лития , стеклообразные, полукристаллические и кристаллические сульфиды, структурированные фосфаты NASICON , перовскиты , антиперовскиты и гранаты .

Коммерциализация

Перезаряжаемые литий-металлические батареи были проданы компанией Bolloré в рамках программы Bluecar , а тонкопленочные батареи с низким содержанием энергии продавались Cymbet и другими. Несколько компаний разрабатывают перезаряжаемые литий-металлические батареи для применения в устройствах бытовой электроники и электромобилях. Статус усилий по развитию, по которым были опубликованы данные, резюмируется в таблице ниже.

Источник

Разработан первый серийный литий-металлический аккумулятор

Стартап SolidEnergy Systems готовится сделать то, что пока не удавалось никому другому — начать серийный выпуск литий-металлических аккумуляторов, емкость которых в два раза выше, чем у литий-ионных. Первая модель будет предназначена для дронов.

Благодаря повышенной емкости — анод батареи состоит из очень тонкого листа литиевой фольги, которая легче графена, углерода или кремния — аккумулятор можно сделать в два раза меньше по размеру или, сохранив прежний размер, вдвое увеличить дальность полета дрона на одном заряде. По словам основателя SolidEnergy Ху Цичао, область покрытия квадрокоптера увеличится в 4 раза.

Наше сознание может быть побочным эффектом энтропии

В качестве электролита используется полутвердое вещество вместо огнеопасной жидкости, которую обычно применяют в литий-ионных батареях. Таким образом, две технических инновации — тонкий анод и уникальный электролит — позволяют получить аккумулятор с энергетической плотностью 450 Вт на килограмм и 1200 Вт*ч на литр.

Стартап уже продает литий-металлические батареи производителям дронов и компаниям, занимающимся проведением беспроводного интернета в сельские области. Цена их намного выше, чем у литий-ионных, во многом из-за малых объемов производства. Недавно ему удалось привлечь $34 млн финансирования, которые SolidEnergy потратит на расширение производства, и тогда, как рассчитывает Ху, стоимость литий-металлических батарей сравняется с литий-ионными. Всего компания получила $50 млн инвестиций — не так уж много для того, чтобы запустить изделие в серийное производство.

Дроны — это только первый шаг. В дальнейшем SolidEnergy надеется наладить выпуск батарей нового типа для носимых устройств (в 2019 году) и для электромобилей (в 2020 или 2021 году), сообщает Green Tech Media.

За два дня батарея Tesla принесла владельцам миллион долларов

Новый метод создания литий-металлических аккумуляторов разработали химики Канады. Их технология позволит увеличить средний запас хода электромобиля на одной зарядке с 200 до 600 км, а также сделает батареи более дешевыми и безопасными.

Источник

Новое поколение батареек: литий-металлические

Ученые вплотную приблизились к разработке более безопасных и долговечных литиево-металлических батарей.

Li-Metal-аккумуляторы, как ожидается, станут основой хранения энергии высокой плотности в будущем.

Исследования Университета штата Аризона подтолкнули учёных к разработке литиево-металлических батарей, которые имеют все шансы заменить литий-ионные и литий-полимерные элементы питания. Это наиболее перспективный кандидат.

Что из себя представляют литий-металлические батареи?

Первые варианты концепции «Li-Metal» оборачивались неконтролируемым ростом литий-дендрита, что приводило к недостаточной подзарядке и опасным химическим процессам.

Дендрит — отросток нейрона на аноде (отрицательный электрод), похожий на игольчатые наросты на поверхности литиевого металла. Они вызывают нежелательные побочные реакции, снижающие плотность энергии и приводящие к замыканию электродов при неправильной установке (такое может окончиться пожаром).

Университет штата Аризона решил эту проблему. Благодаря привлечению трёхмерного слоя Полидиметилсилоксана (ПДМС) или силикона в качестве изоляции литий-металлического анода образование дендритов уменьшилось в разы. В результате учёные смогли увеличить срок службы батареи и уменьшить риски безопасности.

Достижение затрагивает любые металлы в качестве анода — то есть теоретически относится и к литий-ионным и литиево-воздушным аккумуляторам. Исследование уже успешно проводили для батарей, где применяется цинк, натрий или алюминий.

Когда литий-металлические батареи появятся в продаже?

Чтобы довести новый тип аккумуляторов Li-Metal до коммерческого запуска, инженерам предстоит изобрести недорогую и надёжную конструкцию с применением нового изолятора. Изначально литий-металлические элементы питания планируется внедрить в электромобилях в ближайшем будущем. И только затем их сфера применения будет всё больше пересекаться с современными литий-ионными АКБ.

Это не единственная разработка учёных, направленная на исправление ситуации с остановившимся аккумуляторным прогрессом. Протонные батареи не так давно тоже вышли на финишную прямую, приближая то будущее, когда мы станём всё меньше задумываться о подзарядке мобильных гаджетов, электромобилей и портативных потребительских устройств.

Источник

Совершен прорыв в исследованиях литий-металлических аккумуляторов

Прогресс команды исследователей преодолевает техническую проблему, которая сдерживает очень многообещающую архитектуру литий-металлических аккумуляторов

Ученые из Южной Кореи совершили прорыв в исследованиях аккумуляторов, который может помочь преодолеть ключевое узкое место в хранении энергии в литий-металлических аккумуляторах.

Прогресс команды исследователей преодолевает техническую проблему, которая сдерживает очень многообещающую архитектуру литий-металлических аккумуляторов и может проложить путь для батарей, емкость которых в 10 раз превышает емкость сегодняшних устройств.

Причина, по которой литий-металлические батареи так хороши, заключается в превосходной плотности энергии чистого металлического лития. Ученые надеются заменить графит, используемый для анода в современных литиевых батареях, на этот «материал мечты», хотя замена связана с некоторыми сложными проблемами, которые необходимо решить.

Одна из ключевых проблем связана с игольчатыми структурами, называемыми дендритами, которые образуются на поверхности анода при зарядке аккумулятора. Они проникают через барьер между анодом и другим электродом батареи, катодом, и быстро вызывают короткое замыкание, выводя из строя батарею или даже приводят к ее возгоранию.

Поэтому многие исследования в этой области сосредоточены на предотвращении образования дендритов, и уже было несколько многообещающих и творческих решений. Многие из них сосредоточены на формировании защитной границы раздела между анодом и электролитом батареи, который переносит заряд туда и обратно между электродами во время цикла. «Масло для аккумуляторов», специальные добавки или даже аккумуляторы, которые создают свои собственные защитные слои – вот несколько ярких примеров.

«Образование дендритов лития во многом зависит от характера поверхности литиевых анодов», – говорит автор исследования профессор Йонг Мин Ли из Южнокорейского института науки и технологий Тэгу Кёнбук (DGIST). «Поэтому важнейшей стратегией для LMB (литий-металлический аккумулятор) является создание эффективного интерфейса твердый электролит (SEI) на поверхности лития».

Профессор Йонг Мин Ли и его коллеги подошли к решению этой проблемы, используя порошок металлического лития в качестве отправной точки, который создает большую площадь поверхности и позволяет создавать тонкие и широкие электроды. Однако одним из недостатков этого метода является неровность поверхности, которая снова приводит к выходу батареи из строя.

Решение, как выяснили ученые DGIST, может заключаться в добавлении нитрата лития. Предварительная установка соединения во время процесса изготовления позволила создать ультратонкие литий-металлические аноды с гладким и однородным межфазным слоем на поверхности.

Это доказало, что батарея стабильна в течение 450 циклов зарядки, в которых она сохраняла 87 процентов своей емкости и показывала кулоновскую эффективность 96 процентов.

«Мы ожидаем, что предварительная добавка стабилизированных литием соединений в электрод станет ступенькой к коммерциализации крупномасштабных литий-металлических, литий-серных и литий-воздушных батарей с высокой удельной энергией и длительным сроком службы», – говорят ученые.

Исследование было опубликовано в журнале Advanced Energy Materials.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник

Литий-металлические батареи: замена аккумуляторов для электромобилей больше не понадобится

Литий-ионные батареи признаны в настоящее время отраслевым стандартом. Их используют в ноутбуках, смартфонах и электромобилях. Однако именно на электромобилях особенно заметны недостатки таких аккумуляторов: они большие, тяжелые, дорогие, имеют длительное время зарядки и в случае аварии могут воспламеняться, вызывая опустошительные пожары.

Но наука и техника не топчутся на месте. Уже на протяжении десятилетий разрабатываются и исследуются твердотельные батареи, позволяющие устранить все эти недостатки. Особенно перспективными среди них выглядят литий-металлические аккумуляторы. «Многие специалисты из-за высокой емкости и плотности энергии называют их святым Граалем в сфере аккумуляторов», — говорит Синь Ли из Гарвардского университета. Однако особенности конструкции этих батарей создают некоторое число серьезных проблем. Но, похоже, что Синь Ли и его команде удалось решить одну из них.

Дендриты вызывают короткое замыкание

Одна из проблем состоит в том, что в литий-металлических батареях во время зарядки на металлическом слое, который является электролитом, образуются иглоподобные дендриты. Подобно корням, они врастают в электролит и тем самым разрушают барьер между анодом и катодом. Это приводит к короткому замыканию и в некоторых случаях к опасному выгоранию аккумулятора.

Синь Ли и его команда попробовали решить эту проблему, создавая электролит из нескольких слоев. В дополнение к слою металлического лития используется и второй слой, который состоит из лития, фосфора, германия и серы.

Дендриты могут прорастать через слой металлического лития, но затем их останавливает второй слой. Вместо того, чтобы кропотливо пытаться предотвратить образование дендритов, контролируется их рост. Использование второго слоя имеет еще одно преимущество: благодаря этому аккумулятор самовосстанавливается. Химические процессы закрывают дыры в слое металлического лития, созданные ранее дендритами.

Первые лабораторные тесты оказались успешными

Лабораторные испытания показали, что аккумулятор способен выдержать не менее десятка тысяч циклов зарядки. И это при том, что разработанные на сегодняшний день литий-металлические батареи (однослойные), серьезно повреждаются дендритами всего после 50–100 циклов зарядки.

Двухслойная же батарея в лабораторных испытаниях заряжается быстрее обычных литий-ионных аккумуляторов, и потеряла после нескольких тысяч циклов зарядки лишь 20 процентов своей емкости. Однако это пока что лишь прототип, оптимизированный только для испытаний стабильности, и поэтому он еще не имеет значительно большей емкости, чем обычный литий-ионный аккумулятор.

Отпадает необходимость замены аккумуляторов электромобилей

По словам Синь Ли, разработка уже дает понять, что твердотельные литий-металлические батареи могут не только обеспечивать такой же срок службы, как и литий-ионные аккумуляторы, но и показывают значительно больший временной ресурс их эксплуатации. Кроме того, многослойное решение потенциально подходит для массового производства, благодаря чему литий-металлические аккумуляторы будут лишь ненамного дороже привычных литий-ионных аккумуляторов.

По мнению исследователей, коммерческие литий-металлические аккумуляторы с двойным слоем будут иметь срок службы от 10 до 15 лет. Это примерно соответствует среднему сроку жизни бензинового автомобиля. В случае же электромобилей с такой батареей владельцам больше не нужно будет заменять аккумулятор через несколько лет, чтобы снова обеспечить больший запас хода. Кроме того, такую литий-металлическую батарею можно будет полностью зарядить всего за 10-20 минут.

После прочтения не забудьте оценить, а если понравилась — подписаться 👍

Источник