- يصنع المهندسون بطارية عالية الأداء صلبة بالكامل مع أنود من السيليكون النقي
سيول، كوريا الجنوبية, 23 سبتمبر، 2021 / PRNewswire / - ابتكر المهندسون نوعًا جديدًا من البطاريات ينسج حقلين فرعيين للبطارية في بطارية واحدة. تستخدم البطارية كلاً من إلكتروليت الحالة الصلبة وأنود السليكون بالكامل ، مما يجعلها بطارية صلبة بالكامل من السيليكون. تظهر الجولات الأولية من الاختبارات أن البطارية الجديدة آمنة وطويلة الأمد وكثيفة الطاقة. إنها تبشر بمجموعة واسعة من التطبيقات من تخزين الشبكة إلى المركبات الكهربائية.
تم وصف تقنية البطارية في 24 سبتمبر، 2021 إصدار المجلة علوم. جامعة كاليفورنيا في سان دييغو قاد مهندسو النانو البحث ، بالتعاون مع باحثين في LG Energy Solution.
تشتهر أنودات السيليكون بكثافة طاقتها ، والتي تزيد 10 مرات عن أنودات الجرافيت المستخدمة غالبًا في بطاريات أيونات الليثيوم التجارية. من ناحية أخرى ، تشتهر أنودات السيليكون بكيفية تمددها وتقلصها مع شحن البطارية وتفريغها ، وكيفية تحللها مع الإلكتروليتات السائلة. لقد أبقت هذه التحديات جميع أنودات السيليكون خارج بطاريات الليثيوم أيون التجارية على الرغم من كثافة الطاقة المحيرة. تم نشر العمل الجديد في علوم يوفر مسارًا واعدًا للأمام لجميع الأنودات المصنوعة من السيليكون ، وذلك بفضل الإلكتروليت الصحيح.
"من خلال هذا التكوين للبطارية ، نفتح منطقة جديدة لبطاريات الحالة الصلبة باستخدام أنودات مصنوعة من سبائك مثل السيليكون ،" دارين إتش إس تان، المؤلف الرئيسي على الورقة. أكمل مؤخرًا درجة الدكتوراه في الهندسة الكيميائية في كلية الهندسة بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو جاكوبس وشارك في تأسيس شركة UNIGRID Battery التي قامت بترخيص هذه التقنية.
لطالما اعتمدت بطاريات الحالة الصلبة من الجيل التالي ذات الكثافة العالية للطاقة على الليثيوم المعدني كأنود. لكن هذا يضع قيودًا على معدلات شحن البطارية والحاجة إلى ارتفاع درجة الحرارة (عادةً 60 درجة مئوية أو أعلى) أثناء الشحن. يتغلب أنود السيليكون على هذه القيود ، مما يسمح بمعدلات شحن أسرع بكثير في درجات حرارة الغرفة المنخفضة ، مع الحفاظ على كثافة طاقة عالية.
أظهر الفريق خلية كاملة على نطاق معمل توفر 500 دورة شحن وتفريغ مع الاحتفاظ بالسعة بنسبة 80٪ في درجة حرارة الغرفة ، وهو ما يمثل تقدمًا مثيرًا لكل من مجتمعات أنود السيليكون وبطاريات الحالة الصلبة.
السيليكون كأنود ليحل محل الجرافيت
أنودات السيليكون ، بالطبع ، ليست جديدة. لعقود من الزمان ، نظر العلماء ومصنعو البطاريات إلى السيليكون باعتباره مادة كثيفة الطاقة لخلطها أو استبدالها تمامًا أنودات الجرافيت التقليدية في بطاريات الليثيوم أيون. من الناحية النظرية ، يوفر السيليكون ما يقرب من عشرة أضعاف سعة تخزين الجرافيت. في التمرين, ومع ذلك ، فإن بطاريات الليثيوم أيون مع السيليكون المضاف إلى القطب الموجب لزيادة كثافة الطاقة تعاني عادةً من مشكلات في الأداء في العالم الحقيقي: على وجه الخصوص ، عدد المرات التي يمكن فيها شحن البطارية وتفريغها مع الحفاظ على الأداء ليس مرتفعًا بما يكفي.
يرجع جزء كبير من المشكلة إلى التفاعل بين أنودات السيليكون والإلكتروليتات السائلة التي تم إقرانها بها. الوضع معقد بسبب التوسع الكبير الحجم لجزيئات السيليكون أثناء الشحن والتفريغ. ينتج عن هذا خسائر فادحة في السعة بمرور الوقت.
"بصفتنا باحثين في مجال البطاريات ، من الضروري معالجة المشاكل الجذرية في النظام. قال أستاذ الهندسة النانوية بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو: "بالنسبة لأنودات السيليكون ، نعلم أن إحدى المشكلات الكبيرة هي عدم استقرار واجهة الإلكتروليت السائل". شيرلي منغ، المؤلف المقابل على علوم ورقة ، ومدير معهد اكتشاف المواد والتصميم في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو. قال منغ: "كنا بحاجة إلى نهج مختلف تمامًا".
في الواقع ، اتخذ الفريق بقيادة جامعة كاليفورنيا في سان دييغو نهجًا مختلفًا: فقد تخلصوا من الكربون وذهبت الروابط مع جميع الأنودات المصنوعة من السيليكون. بالإضافة إلى ذلك ، استخدم الباحثون السيليكون الدقيق ، وهو أقل معالجة وأقل تكلفة من السيليكون النانوي المستخدم في كثير من الأحيان.
حل كامل الحالة الصلبة
بالإضافة إلى إزالة جميع الكربون والمواد الرابطة من الأنود ، قام الفريق أيضًا بإزالة السائل المنحل بالكهرباء. بدلاً من ذلك ، استخدموا إلكتروليت صلب أساسه الكبريتيد. أظهرت تجاربهم أن هذا الإلكتروليت الصلب مستقر للغاية في البطاريات ذات الأنودات المصنوعة من السيليكون بالكامل.
قال البروفيسور: "يقدم هذا العمل الجديد حلاً واعدًا لمشكلة أنود السيليكون ، على الرغم من أن هناك المزيد من العمل الذي يتعين القيام به" شيرلي منغ، "أرى أن هذا المشروع بمثابة تأكيد على نهجنا في أبحاث البطاريات هنا في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو. نجمع بين العمل النظري والتجريبي الأكثر صرامة والإبداع والتفكير خارج الصندوق. نحن نعرف أيضًا كيفية التفاعل مع شركاء الصناعة أثناء متابعة التحديات الأساسية الصعبة. "
الجهود السابقة لتسويق أنودات سبائك السيليكون بشكل أساسي ركز على مركبات الجرافيت السيليكوني ، أو عن طريق الجمع بين الجسيمات ذات البنية النانوية مع مواد رابطة البوليمر. لكنهم ما زالوا كافح مع استقرار ضعيف.
عن طريق استبدال المنحل بالكهرباء السائل بمحلول إلكتروليت صلب ، وفي نفس الوقت إزالة الكربون والمواد الرابطة من السيليكون الأنود ، تجنب الباحثون سلسلة من التحديات ذات الصلة التي تنشأ عندما تنقع الأنودات في السائل العضوي المنحل بالكهرباء أثناء عمل البطارية.
في الوقت نفسه ، من خلال التخلص من الكربون في الأنود ، قلل الفريق بشكل كبير من الاتصال البيني (والتفاعلات الجانبية غير المرغوب فيها) مع الإلكتروليت الصلب ، متجنبًا فقدان السعة المستمر الذي يحدث عادةً مع الإلكتروليتات السائلة.
سمحت هذه الخطوة المكونة من جزأين للباحثين بجني فوائد التكلفة المنخفضة والطاقة العالية والخصائص الحميدة بيئيًا للسيليكون.
التأثير التجاري العرضي
يتغلب نهج السيليكون ذو الحالة الصلبة على العديد من القيود في البطاريات التقليدية. إنه يوفر فرصًا رائعة لنا لتلبية متطلبات السوق للطاقة الحجمية الأعلى ، والتكاليف المنخفضة ، والبطاريات الأكثر أمانًا خاصةً لتخزين طاقة الشبكة ، " دارين إتش إس تان، أول مؤلف في علوم الورقة.
غالبًا ما يُعتقد أن الإلكتروليتات الصلبة القائمة على الكبريتيد غير مستقرة للغاية. ومع ذلك ، كان هذا يعتمد على التفسيرات الديناميكية الحرارية التقليدية المستخدمة في أنظمة الإلكتروليت السائلة ، والتي لم تأخذ في الاعتبار الاستقرار الحركي الممتاز للإلكتروليتات الصلبة. رأى الفريق فرصة لاستخدام هذه الخاصية غير البديهية لإنشاء أنود مستقر للغاية.
تان هو الرئيس التنفيذي والشريك المؤسس لشركة UNIGRID Battery التي قامت بترخيص التكنولوجيا لجميع بطاريات السليكون الصلبة.
بالتوازي مع ذلك ، ستستمر الأعمال الأساسية ذات الصلة في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو ، بما في ذلك التعاون البحثي الإضافي مع LG Energy Solution.
"يسر LG Energy Solution أن أحدث الأبحاث حول تكنولوجيا البطاريات مع جامعة كاليفورنيا في سان دييغو قد تم نشرها في مجلة علومقال ميونغ هوان كيم ، الرئيس وكبير مسؤولي المشتريات في شركة LG Energy Solution "اعتراف حقيقي". "مع أحدث الاكتشافات ، أصبحت LG Energy Solution أقرب كثيرًا إلى تحقيق تقنيات بطاريات الحالة الصلبة بالكامل ، والتي من شأنها أن تنوع بشكل كبير تشكيلة منتجات البطاريات لدينا."
وأضاف كيم: "بصفتها شركة رائدة في مجال تصنيع البطاريات ، ستواصل LGES جهودها لتعزيز أحدث التقنيات في قيادة الأبحاث حول خلايا البطاريات من الجيل التالي". قالت شركة LG Energy Solution أنها تخطط لتوسيع تعاونها البحثي حول بطاريات الحالة الصلبة مع جامعة كاليفورنيا في سان دييغو.
تم دعم الدراسة من خلال الابتكار المفتوح لشركة LG Energy Solution ، وهو برنامج يدعم بنشاط الأبحاث المتعلقة بالبطاريات. تعمل LGES مع الباحثين في جميع أنحاء العالم لتعزيز التقنيات ذات الصلة.
عنوان الورقة
"أنودات السيليكون الخالية من الكربون عالية التحميل التي تم تمكينها بواسطة الإلكتروليتات الصلبة للكبريتيد ،" في 24 سبتمبر، 2021 قضية العلم.
المؤلفون
دارين إتش إس تان, يو تينغ تشين, هيدي يانغ، Wurigumula Bao، Bhagath Sreenarayanan، جان ماري دو, Weikang لي, بينغيو لو، سو يون هام ، بحراك سايابور ، جوناثان شارف, إريك إيه وو, غرايسون ديشر, تشنغ تشن و ينغ شيرلي منغ من قسم الهندسة النانوية ، برنامج الهندسة الكيميائية ، مركز الطاقة والطاقة المستدامة (SPEC) جامعة كاليفورنيا في سان دييغو مدرسة جاكوبس للهندسة هييا يون هان ، هو جين هاه ، هيري جيونج, جيونج بيوم لي، من LG Energy Solution، Ltd.
التمويل:
تم دعم هذه الدراسة مالياً من قبل شركة LG Energy Solution من خلال برنامج مسابقة ابتكار البطارية (BIC). تقر ZC بالتمويل من دعم صندوق بدء التشغيل من مدرسة Jacob School of Engineering في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو. تقر YSM بالدعم التمويلي من صندوق Zable Endowed Chair.
حول LG Energy Solution
LG Energy Solution هي شركة عالمية رائدة تقدم بطاريات ليثيوم أيون متقدمة للمركبات الكهربائية (EV) وتطبيقات التنقل وتكنولوجيا المعلومات وأنظمة تخزين الطاقة (ESS). مع 30 عامًا من الخبرة في تكنولوجيا البطاريات المتقدمة ، تستمر في النمو بسرعة نحو تحقيق حياة مستدامة. مع أكثر من 24,000 موظف يعملون ضمن شبكتها العالمية القوية التي تمتد عبر الولايات المتحدة ، أوروبا, آسياو أستراليا، تلتزم LG Energy Solution أكثر من أي وقت مضى بتطوير تقنيات مبتكرة تقرب مستقبل الطاقة خطوةً أقرب. لمزيد من المعلومات، يرجى زيارة الموقع https://www.lgensol.com.
المصدر حل الطاقة من LG
روابط ذات صلة
https://www.lgensol.com/en/index
أفلاطون. Web3 مُعاد تصوره. تضخيم ذكاء البيانات.
انقر هنا للوصول.
