Прорыв в области аккумуляторных батарей дал толчок развитию электромобилей для полетов и дальних полетов

Первоначально опубликовано Berkeley Lab

Новая аккумуляторная технология, разработанная в лаборатории Беркли, может обеспечить полет электрических самолетов с вертикальным взлетом и посадкой (eVTOL) и безопасных электромобилей большой дальности с наддувом

В погоне за перезаряжаемой батареей которые могут питать электромобили (EV) на сотни миль без подзарядки, ученые попытались заменить графитовые аноды, используемые в настоящее время в батареях EV, на аноды из металла с литием.

Но в то время как металлический литий увеличивает запас хода электромобиля на 30–50%, он также сокращает срок службы батареи из-за литиевых дендритов, крошечных древовидных дефектов, которые образуются на литиевом аноде в течение многих циклов зарядки и разрядки. Что еще хуже, дендриты закорачивают элементы батареи, если вступают в контакт с катодом.

На протяжении десятилетий исследователи предполагали, что твердые электролиты, например, из керамики, будут лучше всего предотвращать проникновение дендритов в клетку. Но проблема с этим подходом, как многие обнаружили, заключается в том, что он не останавливал формирование или «зарождение» дендритов, как крошечные трещины на лобовом стекле автомобиля, которые со временем распространяются.

Теперь исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab) в сотрудничестве с Университетом Карнеги-Меллона сообщили в журнале Nature Materials о новом классе мягких твердых электролитов, изготовленных как из полимеров, так и из керамики, которые подавляют дендриты. на этой ранней стадии зарождения, прежде чем они смогут распространиться и привести к выходу из строя батареи.

Эта технология является примером междисциплинарного сотрудничества Berkeley Lab между ее пользовательскими объектами для разработки новых идей по сборке, характеристике и разработке материалов и устройств для твердотельных аккумуляторов.

Твердотельные технологии хранения энергии, такие как твердотельные литий-металлические батареи, в которых используются твердый электрод и твердый электролит, могут обеспечить высокую плотность энергии в сочетании с превосходной безопасностью, но эта технология должна преодолевать различные материалы и проблемы обработки.

Наша технология подавления дендритов имеет важные последствия для аккумуляторной промышленности», — сказал соавтор Бретт Хелмс, штатный научный сотрудник лаборатории молекулярной литейной лаборатории Беркли. «Благодаря этому производители аккумуляторов могут производить более безопасные литий-металлические аккумуляторы с высокой плотностью энергии и длительным сроком службы».

Хелмс добавил, что литий-металлические батареи, изготовленные с использованием нового электролита, также могут использоваться для питания электрических самолетов.

Мягкий подход к подавлению дендритов

Ключом к разработке этих новых мягких твердых электролитов было использование мягких полимеров с внутренней микропористостью, или PIM, поры которых были заполнены наноразмерными керамическими частицами. Поскольку электролит остается гибким, мягким и твердым материалом, производители аккумуляторов смогут производить рулоны литиевой фольги с электролитом в качестве ламината между анодом и сепаратором аккумулятора. По словам Хелмса, эти узлы литиевых электродов, или LESA, являются привлекательной заменой обычного графитового анода и позволяют производителям аккумуляторов использовать существующие сборочные линии.

Команда Хелмса использовала рентгеновские лучи в усовершенствованном источнике света Berkeley Lab для создания трехмерных изображений интерфейса между металлическим литием и электролитом. (Источник:Бретт Хелмс/Лаборатория Беркли)

Чтобы продемонстрировать свойства нового композитного электролита PIM, подавляющие дендриты, команда Хелмса использовала рентгеновские лучи на усовершенствованном источнике света в лаборатории Беркли для создания трехмерных изображений интерфейса между металлическим литием и электролитом, а также для визуализации литиевого покрытия и удаления до до 16 часов при сильном токе. Непрерывный плавный рост лития наблюдался, когда присутствовал новый композитный электролит PIM, в то время как в его отсутствие на границе раздела проявлялись явные признаки ранних стадий роста дендритов.

Эти и другие данные подтвердили предсказания новой физической модели электроосаждения металлического лития, которая учитывает как химические, так и механические характеристики твердых электролитов.

В 2017 году, когда считалось, что вам нужен жесткий электролит, мы предложили новый механизм подавления дендритов с помощью мягкого твердого электролита», — сказал соавтор Венкат Вишванатан, доцент кафедры машиностроения и научный сотрудник Скотта. Институт энергетических инноваций Университета Карнеги-Меллона, который руководил теоретическими исследованиями для работы. «Удивительно найти материальную реализацию этого подхода с композитами PIM».

Компания 24M Technologies, получившая награду в рамках программы IONICS Агентства перспективных исследовательских проектов (ARPA-E), интегрировала эти материалы в аккумуляторы большего формата как для электромобилей, так и для электрических самолетов с вертикальным взлетом и посадкой, или eVTOL.

Несмотря на то, что для электромобилей и вертикальных взлетно-посадочных полос существуют уникальные требования к питанию, композитная твердоэлектролитная технология PIM кажется универсальной и позволяет работать с высокой мощностью», — сказал Хелмс.

В исследовании приняли участие исследователи из лаборатории Беркли и Университета Карнеги-Меллона.

Molecular Foundry и Advanced Light Source являются пользовательскими объектами Управления науки Министерства энергетики США, расположенными в лаборатории Беркли.

Эта работа была поддержана Агентством перспективных исследовательских проектов в области энергетики (ARPA-E) и Управлением науки Министерства энергетики США. Дополнительное финансирование было предоставлено Управлением развития кадров для преподавателей и ученых Министерства энергетики США, что позволило студентам бакалавриата принять участие в исследованиях в рамках программы стажировок в научных лабораториях бакалавриата.

Новая Зеландия протестирует летающее такси Wisk eVTOL

Национальная лаборатория Лоуренса Беркли, основанная в 1931 году на основе убеждения, что самые сложные научные задачи лучше всего решаются командами, и ее ученые были отмечены 13 Нобелевскими премиями. Сегодня исследователи из лаборатории Беркли разрабатывают устойчивые энергетические и экологические решения, создают новые полезные материалы, расширяют границы вычислительной техники и исследуют тайны жизни, материи и Вселенной. Ученые со всего мира полагаются на оборудование лаборатории для своих собственных научных открытий. Лаборатория Беркли – это многопрофильная национальная лаборатория, управляемая Калифорнийским университетом для Управления науки Министерства энергетики США.

Управление науки Министерства энергетики США является крупнейшим сторонником фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из самых насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите страницу energy.gov/science.