Cercetătorii de la Stanford au proiectat un nou electrolit pentru bateriile litiu-metalice care ar putea crește raza de acțiune a mașinilor electrice.

De Mark Shwartz

Un nou electrolit pe bază de litiu, inventat de oamenii de știință de la Universitatea Stanford, ar putea deschide calea pentru următoarea generație de vehicule electrice alimentate cu baterii.

noul

Un electrolit convențional (clar) în stânga și romanul electrolit Stanford în dreapta. 04.30 Credit imagine: Zhiao Yu

Într-un studiu publicat pe 22 iunie în Nature Energy, cercetătorii de la Stanford demonstrează modul în care noul lor design electrolitic mărește performanța bateriilor litiu-metalice, o tehnologie promițătoare pentru alimentarea vehiculelor electrice, laptopurilor și a altor dispozitive.

„Majoritatea mașinilor electrice funcționează cu baterii litiu-ion, care se apropie rapid de limita lor teoretică de densitate a energiei”, a declarat coautorul studiului, Yi Cui, profesor de știință și inginerie a materialelor și de știință a fotonilor la Laboratorul Național de Accelerare SLAC. „Studiul nostru s-a axat pe bateriile litiu-metalice, care sunt mai ușoare decât bateriile litiu-ion și pot furniza mai multă energie pe unitate de greutate și volum.”

Litiu-ion vs. litiu metalic

Bateriile litiu-ion, utilizate în orice, de la smartphone-uri la mașini electrice, au doi electrozi - un catod încărcat pozitiv care conține litiu și un anod încărcat negativ, de obicei din grafit. O soluție de electroliți permite ionilor de litiu să se deplaseze înainte și înapoi între anod și catod atunci când bateria este utilizată și când se reîncarcă.

Doctoranții și autorii principali Hansen Wang, stânga, și Zhiao Yu, dreapta, testând o celulă experimentală în laboratorul lor. (Credit de imagine: Hongxia Wang.)

O baterie litiu-metalică poate conține aproximativ de două ori mai multă energie electrică pe kilogram decât bateria convențională litiu-ion de astăzi. Bateriile cu litiu metalic fac acest lucru prin înlocuirea anodului de grafit cu litiu metalic, care poate stoca mult mai multă energie.

„Bateriile litiu-metalice sunt foarte promițătoare pentru vehiculele electrice, unde greutatea și volumul sunt o mare preocupare”, a declarat co-autorul studiului Zhenan Bao, K.K. Profesor Lee la Școala de Inginerie. „Dar în timpul funcționării, anodul litiu metalic reacționează cu electrolitul lichid. Acest lucru determină creșterea microstructurilor de litiu numite dendrite pe suprafața anodului, ceea ce poate provoca incendiul și defectarea bateriei. ”

Cercetătorii au petrecut decenii încercând să abordeze problema dendritei.

„Electrolitul a fost călcâiul lui Ahile al bateriilor litiu-metalice”, a declarat co-autorul Zhiao Yu, student absolvent în chimie. „În studiul nostru, folosim chimia organică pentru a proiecta rațional și a crea electroliți noi și stabili pentru aceste baterii.”

Nou electrolit

Pentru studiu, Yu și colegii săi au explorat dacă ar putea aborda problemele de stabilitate cu un electrolit lichid comun, disponibil în comerț.

„Am emis ipoteza că adăugarea de atomi de fluor pe molecula electrolitului ar face lichidul mai stabil”, a spus Yu. „Fluorul este un element utilizat pe scară largă în electroliți pentru bateriile cu litiu. Am folosit capacitatea sa de a atrage electroni pentru a crea o nouă moleculă care permite anodului litiu metalic să funcționeze bine în electrolit. ”

Rezultatul a fost un nou compus sintetic, prescurtat FDMB, care poate fi ușor produs în vrac.

„Modelele de electroliți devin foarte exotice”, a spus Bao. „Unii au dat dovadă de promisiuni bune, dar sunt foarte scumpe de produs. Molecula FDMB cu care a apărut Zhiao este ușor de realizat în cantitate mare și destul de ieftină. ”

„Performanță incredibilă”

Echipa Stanford a testat noul electrolit într-o baterie litiu-metalică.

Rezultatele au fost dramatice. Bateria experimentală și-a păstrat 90% din încărcarea inițială după 420 de cicluri de încărcare și descărcare. În laboratoare, bateriile tipice litiu-metal nu mai funcționează după aproximativ 30 de cicluri.

Cercetătorii au măsurat, de asemenea, cât de eficient sunt transferați ionii de litiu între anod și catod în timpul încărcării și descărcării, o proprietate cunoscută sub numele de „eficiență coulombică”.

"Dacă încărcați 1.000 de ioni de litiu, câți vă întoarceți după ce vă descărcați?" A spus Cui. „În mod ideal, doriți 1.000 din 1.000 pentru o eficiență coulombică de 100%. Pentru a fi viabilă din punct de vedere comercial, o baterie are nevoie de o eficiență coulombică de cel puțin 99,9%. În studiul nostru am obținut 99,52 la sută în jumătatea celulelor și 99,98 la sută în celulele complete; o performanță incredibilă. ”

Baterie fără anod

Pentru o utilizare potențială în electronica de larg consum, echipa Stanford a testat, de asemenea, electrolitul FDMB în celule din pungă din litiu metalic fără anod - baterii disponibile comercial cu catoduri care furnizează litiu anodului.

„Ideea este de a folosi litiu doar pe latura catodului pentru a reduce greutatea”, a spus co-autorul Hansen Wang, student absolvent în știința materialelor și ingineria. „Bateria fără anod a funcționat 100 de cicluri înainte ca capacitatea sa să scadă la 80% - nu la fel de bună ca o baterie litiu-ion echivalentă, care poate funcționa între 500 și 1.000 de cicluri, dar este una dintre celulele fără anod cu cele mai bune performanțe.”

„Aceste rezultate arată promițătoare pentru o gamă largă de dispozitive”, a adăugat Bao. „Bateriile ușoare, fără anod, vor fi o caracteristică atractivă pentru drone și multe alte electronice de larg consum”.

Baterie 500

SUA. Departamentul Energiei (DOE) finanțează un mare consorțiu de cercetare numit Battery500 pentru a face viabile bateriile litiu-metalice, care ar permite producătorilor de automobile să construiască vehicule electrice mai ușoare, care pot conduce distanțe mult mai mari între încărcături. Acest studiu a fost susținut parțial de o subvenție din partea consorțiului, care include Stanford și SLAC.

Prin îmbunătățirea anodilor, electroliților și a altor componente, Battery500 își propune să tripleze aproape cantitatea de energie electrică pe care o poate furniza o baterie litiu-metalică, de la aproximativ 180 de wați-oră pe kilogram când a început programul în 2016 la 500 de wați-oră pe kilogram. Un raport mai mare energie-greutate sau „energie specifică” este cheia pentru rezolvarea gamei de anxietate pe care o au adesea potențialii cumpărători de mașini electrice.

Accesați site-ul web pentru a vizualiza videoclipul.

Test de inflamabilitate a electrolitului de carbonat convențional (stânga) și noul electrolit FDMB (dreapta) dezvoltat la Stanford. Electrolitul carbonat convențional este inflamabil imediat după atingerea flăcării, dar electrolitul FDMB poate tolera flacăra directă timp de cel puțin trei secunde.

„Bateria fără anod din laboratorul nostru a realizat aproximativ 325 wați-oră pe kilogram de energie specifică, un număr respectabil”, a spus Cui. „Următorul nostru pas ar putea fi să lucrăm în colaborare cu alți cercetători din Battery500 pentru a construi celule care să se apropie de obiectivul consorțiului de 500 de wați-oră pe kilogram”.

Pe lângă ciclul de viață mai lung și stabilitatea mai bună, electrolitul FDMB este, de asemenea, mult mai puțin inflamabil decât electroliții convenționali, așa cum au demonstrat cercetătorii în acest videoclip încorporat.

„Studiul nostru oferă practic un principiu de proiectare pe care oamenii îl pot aplica pentru a veni cu electroliți mai buni”, a adăugat Bao. "Tocmai am arătat un exemplu, dar există multe alte posibilități."

Alți coautori de la Stanford includ Jian Qin, profesor asistent de inginerie chimică; burse postdoctorale Xian Kong, Kecheng Wang, Wenxiao Huang, Snehashis Choudhury și Chibueze Amanchukwu; studenții absolvenți William Huang, Yuchi Tsao, David Mackanic, Yu Zheng și Samantha Hung; și studenții Yuting Ma și Eder Lomeli. Xinchang Wang de la Universitatea Xiamen este, de asemenea, coautor. Zhenan Bao și Yi Cui sunt bursieri seniori la Precourt Institute for Energy din Stanford. Cui este, de asemenea, investigator principal la Stanford Institute for Materials & Energy Science, un program comun de cercetare SLAC/Stanford.

Această lucrare a fost, de asemenea, susținută de Programul de cercetare a materialelor pentru baterii din cadrul Biroului Tehnologii Vehiculare DOE. Facilitatea utilizată la Stanford este susținută de National Science Foundation.

Pentru a citi toate poveștile despre știința de la Stanford, abonați-vă la biletarul săptămânal Stanford Science Digest.