Ontwerp kan duurzamere, krachtigere lithiumbatterijen mogelijk maken: het gebruik van een nieuwe elektrolyt kan geavanceerde metaalelektroden en hogere spanningen mogelijk maken, waardoor de capaciteit en levensduur worden vergroot

Home > Media > Ontwerp zou langere, krachtigere lithiumbatterijen mogelijk kunnen maken: het gebruik van een nieuwe elektrolyt kan geavanceerde metalen elektroden en hogere spanningen mogelijk maken, waardoor de capaciteit en de levensduur toenemen

Röntgentomografiebeelden gemaakt in Brookhaven National Lab tonen het kraken van een deeltje in een elektrode van een batterijcel die een conventionele elektrolyt gebruikte (zoals links te zien). De onderzoekers ontdekten dat het gebruik van een nieuwe elektrolyt het grootste deel van dit scheuren kon voorkomen (rechts).
Credits: Afbeelding: met dank aan de onderzoekers

Abstract:
Lithium-ionbatterijen hebben de lichtgewicht elektronische apparaten mogelijk gemaakt waarvan we de draagbaarheid nu als vanzelfsprekend beschouwen, evenals de snelle uitbreiding van de productie van elektrische voertuigen. Maar onderzoekers over de hele wereld blijven grenzen verleggen om steeds grotere energiedichtheden te bereiken - de hoeveelheid energie die kan worden opgeslagen in een bepaalde massa materiaal - om de prestaties van bestaande apparaten te verbeteren en mogelijk nieuwe toepassingen mogelijk te maken, zoals long -range drones en robots.

Dankzij het ontwerp kunnen lithiumbatterijen met een langere levensduur en krachtiger worden gebruikt: het gebruik van een nieuwe elektrolyt kan geavanceerde metalen elektroden en hogere spanningen mogelijk maken, waardoor de capaciteit en de levensduur toenemen

Cambridge, MA | Geplaatst op 26 maart 2021

Een veelbelovende benadering is het gebruik van metalen elektroden in plaats van het conventionele grafiet, met een hogere laadspanning in de kathode. Die inspanningen worden echter belemmerd door een verscheidenheid aan ongewenste chemische reacties die plaatsvinden met de elektrolyt die de elektroden scheidt. Nu heeft een team van onderzoekers aan het MIT en elders een nieuwe elektrolyt gevonden die deze problemen overwint en een aanzienlijke sprong in het vermogen per gewicht van batterijen van de volgende generatie mogelijk maakt, zonder de levensduur op te offeren.

Het onderzoek wordt vandaag gerapporteerd in het tijdschrift Nature Energy in een paper van MIT-professoren Ju Li, Yang Shao-Horn en Jeremiah Johnson; postdoc Weijiang Xue; en 19 anderen bij MIT, twee nationale laboratoria en elders. De onderzoekers zeggen dat de bevinding het mogelijk zou kunnen maken dat lithium-ionbatterijen, die nu doorgaans ongeveer 260 wattuur per kilogram kunnen opslaan, ongeveer 420 wattuur per kilogram kunnen opslaan. Dat zou zich vertalen in een groter bereik voor elektrische auto's en langdurige veranderingen op draagbare apparaten.

De basisgrondstoffen voor deze elektrolyt zijn niet duur (hoewel een van de tussenproducten nog steeds duur is omdat deze beperkt wordt gebruikt), en het proces om het te maken is eenvoudig. Dit voorschot zou dus relatief snel kunnen worden geïmplementeerd, zeggen de onderzoekers.

De elektrolyt zelf is niet nieuw, legt Johnson, hoogleraar scheikunde, uit. Het is een paar jaar geleden ontwikkeld door enkele leden van dit onderzoeksteam, maar voor een andere toepassing. Het maakte deel uit van een poging om lithium-luchtbatterijen te ontwikkelen, die worden gezien als de ultieme langetermijnoplossing voor het maximaliseren van de energiedichtheid van de batterij. Maar er zijn nog veel obstakels waarmee de ontwikkeling van dergelijke batterijen wordt geconfronteerd, en die technologie kan nog jaren weg zijn. Ondertussen blijkt het toepassen van die elektrolyt op lithium-ionbatterijen met metalen elektroden iets dat veel sneller kan.

De nieuwe toepassing van dit elektrodemateriaal werd "enigszins toevallig" gevonden, nadat het aanvankelijk een paar jaar geleden was ontwikkeld door Shao-Horn, Johnson en anderen, in een samenwerkingsverband gericht op de ontwikkeling van lithium-luchtbatterijen.

"Er is nog steeds echt niets dat een goede oplaadbare lithium-luchtbatterij mogelijk maakt", zegt Johnson. Maar "we hebben deze organische moleculen ontworpen waarvan we hoopten dat ze stabiliteit zouden geven in vergelijking met de bestaande vloeibare elektrolyten die worden gebruikt." Ze ontwikkelden drie verschillende op sulfonamide gebaseerde formuleringen, waarvan ze ontdekten dat ze behoorlijk resistent waren tegen oxidatie en andere afbraakeffecten. Vervolgens besloot postdoc Xue, in samenwerking met de groep van Li, dit materiaal met meer standaardkathodes te proberen.

Het type batterij-elektrode dat ze nu hebben gebruikt met deze elektrolyt, een nikkeloxide dat wat kobalt en mangaan bevat, "is het werkpaard van de huidige elektrische auto-industrie", zegt Li, een professor in nucleaire wetenschappen en engineering en materiaalkunde en engineering. .

Omdat het elektrodemateriaal anisotroop uitzet en samentrekt wanneer het wordt opgeladen en ontladen, kan dit leiden tot barsten en verminderde prestaties bij gebruik met conventionele elektrolyten. Maar in experimenten in samenwerking met Brookhaven National Laboratory ontdekten de onderzoekers dat het gebruik van de nieuwe elektrolyt deze verslechtering van spanningscorrosie-scheuren drastisch verminderde.

Het probleem was dat de metaalatomen in de legering de neiging hadden om op te lossen in de vloeibare elektrolyt, waardoor massa verloren ging en het metaal barstte. De nieuwe elektrolyt is daarentegen buitengewoon goed bestand tegen een dergelijke oplossing. Kijkend naar de gegevens van de Brookhaven-tests, zegt Li, was het "een beetje schokkend om te zien dat als je gewoon de elektrolyt vervangt, al deze scheuren verdwenen zijn." Ze ontdekten dat de morfologie van het elektrolytmateriaal veel robuuster is en dat de overgangsmetalen "gewoon niet zo goed oplosbaar zijn" in deze nieuwe elektrolyten.

Dat was een verrassende combinatie, zegt hij, omdat het materiaal nog steeds gemakkelijk lithiumionen doorlaat - het essentiële mechanisme waarmee batterijen worden opgeladen en ontladen - terwijl het de andere kationen, de zogenaamde overgangsmetalen, blokkeert. De opeenhoping van ongewenste verbindingen op het elektrode-oppervlak na vele laad-ontlaadcycli was meer dan vertienvoudigd in vergelijking met de standaard elektrolyt.

"De elektrolyt is chemisch resistent tegen oxidatie van hoogenergetische nikkelrijke materialen, waardoor deeltjesbreuk wordt voorkomen en de positieve elektrode tijdens het fietsen wordt gestabiliseerd", zegt Shao-Horn, hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde en engineering. “De elektrolyt maakt ook stabiel en omkeerbaar strippen en plateren van lithiummetaal mogelijk, een belangrijke stap in de richting van oplaadbare lithium-metaalbatterijen met een energie die twee keer zo hoog is als die van de ultramoderne lithium-ionbatterijen. Deze bevinding zal een katalysator zijn voor verder onderzoek naar elektrolyten en ontwerpen van vloeibare elektrolyten voor lithium-metaalbatterijen die vergelijkbaar zijn met die met vaste-stofelektrolyten. "

De volgende stap is het opschalen van de productie om deze betaalbaar te maken. "We maken het in een zeer gemakkelijke reactie van gemakkelijk verkrijgbare commerciële uitgangsmaterialen", zegt Johnson. Op dit moment is de precursorverbinding die wordt gebruikt om de elektrolyt te synthetiseren duur, maar hij zegt: "Ik denk dat als we de wereld kunnen laten zien dat dit een geweldige elektrolyt is voor consumentenelektronica, de motivatie om verder op te schalen zal helpen om de prijs te verlagen. . "

Omdat dit in wezen een "drop-in" -vervanging is voor een bestaande elektrolyt en geen herontwerp van het hele batterijsysteem vereist, zegt Li, zou het snel kunnen worden geïmplementeerd en binnen een paar jaar op de markt kunnen worden gebracht. “Er zijn geen dure elementen, het is alleen koolstof en fluor. Het is dus niet beperkt door middelen, het is gewoon het proces ”, zegt hij.

Het onderzoek werd ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie en de National Science Foundation, en maakte gebruik van de faciliteiten van Brookhaven National Laboratory en Argonne National Laboratory.

####

Voor meer informatie, klik hier

Kontakte:
Abby Abazorius
MIT Nieuwsbureau
617.253.2709

Als u een opmerking heeft, alstublieft Neem contact op met ons op.

Uitgevers van nieuwsberichten, niet 7th Wave, Inc. of Nanotechnology Now, zijn zelf verantwoordelijk voor de juistheid van de inhoud.

Bladwijzer: