673886040@qq.com
Новая высокопроизводительная твердотельная батарея удивила инженеров, создавших ее
Инженеры создали батарею нового типа, которая объединяет два многообещающих подобласти батареи в одну батарею. В батарее используется как твердотельный электролит, так и полностью кремниевый анод, что делает ее полностью кремниевой твердотельной батареей. Первые этапы испытаний показывают, что новая батарея безопасна, долговечна и энергоемка. Это многообещающе для широкого спектра применений, от энергосистемы до электромобилей.
Технология аккумуляторов описана в выпуске журнала Science от 24 сентября 2021 года. Наноинженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего провели исследование в сотрудничестве с исследователями LG Energy Solution.
Кремниевые аноды известны своей плотностью энергии, которая в 10 раз больше, чем у графитовых анодов, наиболее часто используемых в современных коммерческих литий-ионных батареях. С другой стороны, кремниевые аноды печально известны тем, как они расширяются и сжимаются при зарядке и разряде батареи, а также тем, как они разлагаются жидкими электролитами. Эти проблемы не позволяют использовать полностью кремниевые аноды в коммерческих литий-ионных батареях, несмотря на соблазнительную плотность энергии. Новая работа, опубликованная в Science, открывает многообещающие перспективы для полностью кремниевых анодов благодаря правильному электролиту.
«С этой конфигурацией батареи мы открываем новую территорию для твердотельных батарей с использованием анодов из сплава, такого как кремний», - сказал Даррен Х. С. Тан, ведущий автор статьи. Недавно он получил докторскую степень в области химического машиностроения в инженерной школе Калифорнийского университета в Сан-Диего Джейкобс и стал соучредителем стартапа UNIGRID Battery, который получил лицензию на эту технологию.
В твердотельных батареях следующего поколения с высокой плотностью энергии в качестве анода всегда использовался металлический литий. Но это накладывает ограничения на скорость заряда аккумулятора и необходимость повышения температуры (обычно 60 градусов Цельсия или выше) во время зарядки. Кремниевый анод преодолевает эти ограничения, обеспечивая гораздо более высокую скорость заряда при комнатной или низкой температуре, сохраняя при этом высокую плотность энергии.
Команда продемонстрировала полный элемент лабораторного масштаба, который обеспечивает 500 циклов зарядки и разрядки с сохранением емкости 80% при комнатной температуре, что представляет собой впечатляющий прогресс как для производителей кремниевых анодов, так и для твердотельных аккумуляторов.
Кремниевые аноды, конечно, не новость. На протяжении десятилетий ученые и производители аккумуляторов смотрели на кремний как на энергоемкий материал, который можно смешать с обычными графитовыми анодами в литий-ионных батареях или полностью заменить ими. Теоретически кремний предлагает примерно в 10 раз большую емкость хранения, чем графит. Однако на практике литий-ионные батареи с кремнием, добавленным к аноду для увеличения плотности энергии, обычно страдают от реальных проблем с производительностью: в частности, количество раз, когда аккумулятор может заряжаться и разряжаться при сохранении производительности, недостаточно велик.
Большая часть проблемы вызвана взаимодействием между кремниевыми анодами и жидкими электролитами, с которыми они связаны. Ситуация осложняется большим объемным расширением частиц кремния при заряде и разряде. Это приводит к серьезным потерям мощности со временем.
«Как исследователям аккумуляторов, жизненно важно решать основные проблемы в системе. Что касается кремниевых анодов, мы знаем, что одной из больших проблем является нестабильность границы раздела жидкого электролита », - сказала профессор наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего Ширли Мэн, автор статьи, отвечающей за научную работу, и директор Института исследования материалов и дизайна в Калифорнийском университете в Сан-Диего. Диего. «Нам нужен был совершенно другой подход», - сказал Мэн.
Действительно, команда, возглавляемая Калифорнийским университетом в Сан-Диего, использовала другой подход: они отказались от углерода и связующих, которые использовались в полностью кремниевых анодах. Кроме того, исследователи использовали микрокремний, который меньше обрабатывается и дешевле, чем нанокремний, который используется чаще.
Помимо удаления всего углерода и связующих с анода, команда также удалила жидкий электролит. Вместо этого они использовали твердый электролит на основе сульфида. Их эксперименты показали, что этот твердый электролит чрезвычайно стабилен в батареях с полностью кремниевыми анодами.
«Эта новая работа предлагает многообещающее решение проблемы кремниевых анодов, хотя есть еще много работы, - сказал профессор Мэн. - Я рассматриваю этот проект как подтверждение нашего подхода к исследованиям аккумуляторов здесь, в Калифорнийском университете в Сан-Диего. Мы сочетаем наиболее строгую теоретическую и экспериментальную работу с творчеством и нестандартным мышлением. Мы также знаем, как взаимодействовать с отраслевыми партнерами, решая сложные фундаментальные задачи ».
Предыдущие усилия по коммерциализации анодов из кремниевых сплавов в основном сосредоточены на кремний-графитовых композитах или на сочетании наноструктурированных частиц с полимерными связующими. Но они все еще борются с плохой стабильностью.
Заменив жидкий электролит твердым электролитом и одновременно удалив углерод и связующие с кремниевого анода, исследователи избежали ряда связанных проблем, которые возникают, когда аноды пропитываются органическим жидким электролитом во время работы батареи.
В то же время, исключив углерод из анода, команда значительно уменьшила межфазный контакт (и нежелательные побочные реакции) с твердым электролитом, избегая постоянной потери емкости, которая обычно происходит с электролитами на жидкой основе.
Этот двухэтапный шаг позволил исследователям в полной мере воспользоваться преимуществами низкой стоимости, высокой энергии и экологически безвредных свойств кремния.
«Твердотельный кремний преодолевает многие ограничения обычных батарей. Это открывает для нас захватывающие возможности удовлетворить рыночный спрос на более высокую объемную энергию, более низкие затраты и более безопасные батареи, особенно для хранения энергии в сети », - сказал Даррен Х. С. Тан, первый автор статьи в Science.
Твердые электролиты на основе сульфидов часто считались крайне нестабильными. Однако это было основано на традиционных термодинамических интерпретациях, используемых в системах жидких электролитов, которые не учитывали превосходную кинетическую стабильность твердых электролитов. Команда увидела возможность использовать это нелогичное свойство для создания высокостабильного анода.
Тан - генеральный директор и соучредитель стартапа UNIGRID Battery, который лицензировал технологию для всех этих кремниевых твердотельных батарей.
Параллельно с этим в Калифорнийском университете Сан-Диего будет продолжена соответствующая фундаментальная работа, включая дополнительные исследования, совместные с LG Energy Solution.
«Компания LG Energy Solution рада, что последние исследования аккумуляторных технологий, проведенные совместно с Калифорнийским университетом в Сан-Диего, попали в научный журнал, что является значимым признанием», - сказал Мён-Хван Ким, президент и главный директор по закупкам LG Energy Solution. «Благодаря последним открытиям LG Energy Solution намного ближе к реализации технологии полностью твердотельных аккумуляторов, которые значительно разнообразят нашу линейку аккумуляторов».
«Как ведущий производитель аккумуляторов, LGES продолжит свои усилия по развитию новейших технологий в ведущих исследованиях аккумуляторных элементов следующего поколения», - добавил Ким. LG Energy Solution заявила, что планирует и дальше расширять сотрудничество с Калифорнийским университетом в Сан-Диего по исследованиям твердотельных аккумуляторов.
Ссылка: «Безуглеродные кремниевые аноды с высокой нагрузкой на основе сульфидных твердых электролитов» Даррена Х.С. Тана, Ю-Тин Чена, Хеди Янга, Вуригумула Бао, Бхагата Сринараянана, Жан-Мари Ду, Вэйкан Ли, Бингю Лу, Со-Ён. Хам, Бахарак Сайяпур, Джонатан Шарф, Эрик А. Ву, Грейсон Дейшер, Хеа Ын Хан, Хо Джин Ха, Хери Чон, Чон Бом Ли, Чжэн Чен и Ин Ширли Мэн, 24 сентября 2021 года, Science.
DOI: 10.1126 / science.abg7217
Исследование было поддержано открытой инновацией LG Energy Solution, программой, которая активно поддерживает исследования, связанные с аккумуляторными батареями. LGES работает с исследователями по всему миру, чтобы продвигать соответствующие методы.
Авторы: Даррен Х.С. Тан, Ю-Тинг Чен, Хеди Янг, Вуригумула Бао, Бхагат Сринараянан, Жан-Мари Ду, Вейкан Ли, Бингю Лу, Со-Ён Хам, Бахарак Сайяпур, Джонатан Шарф, Эрик А. Ву, Грейсон Дейшер, Чжэн Чен и Ин Ширли Мэн из Департамента наноинжиниринга, Программы химической инженерии и Центра устойчивой энергетики и энергетики (SPEC), Школа инженерии Сан-Диего Джейкобс Калифорнийского университета; Хеа Ын Хан, Хо Джин Ха, Хери Чон, Чон Бом Ли, из LG Energy Solution, Ltd.
Финансирование: это исследование было финансово поддержано компанией LG Energy Solution в рамках программы конкурса инновационных аккумуляторов (BIC). Z.C. выражает признательность за финансирование из фонда поддержки стартапов Инженерной школы Джейкоба Калифорнийского университета в Сан-Диего. Ю.С.М. благодарит за финансовую поддержку Zable Endowed Chair Fund.
