Первоначально опубликовано в Управлении науки Министерства энергетики США. Национальные лаборатории Министерства энергетики, SLAC, Stanford Education News

Добавление полимеров и огнеупорных материалов в токосъемники батареи делает ее легче, безопаснее и примерно на 20 % эффективнее. Менло-Парк, Калифорния . — В совершенно новом подходе к тому, чтобы сделать литий-ионные батареи легче, безопаснее и эффективнее, ученые из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики реконструировали один из самых тяжелых компонентов батареи — листы медной или алюминиевой фольги, известные как ток. коллекторы – так они весят на 80% меньше и сразу гасят любые возгорания.

Исследователи заявили, что в случае принятия эта технология может решить две основные задачи исследования аккумуляторов:увеличить запас хода электромобилей и снизить опасность возгорания ноутбуков, мобильных телефонов и других устройств. Это особенно важно, когда батареи заряжаются очень быстро, что приводит к большему количеству типов повреждений батарей, которые могут привести к пожару.

Исследовательская группа описала свою работу в Nature Energy. сегодня.

<цитата>

«Токосборник всегда считался мертвым грузом, и до сих пор он не был успешно использован для повышения производительности батареи», — сказал Йи Цуй, профессор SLAC и Стэнфорда и исследователь Стэнфордского института материаловедения и энергетических наук (SIMES). ), который руководил исследованием.

«Но в нашем исследовании облегчение коллектора на 80% увеличило плотность энергии литий-ионных аккумуляторов — сколько энергии они могут хранить при заданном весе — на 16-26%. Это большой скачок по сравнению со средним ростом на 3 %, достигнутым за последние годы».

Ученые из Стэнфорда и SLAC переработали токопроводы — тонкую металлическую фольгу, распределяющую ток к электродам и от них, — чтобы сделать литий-ионные батареи легче, безопаснее и эффективнее. Они заменили полностью медный проводник (в центре) слоем легкого полимера, покрытого сверхтонкой медью (вверху справа), и добавили в полимерный слой антипирен для гашения пламени (внизу справа). (Юшэн Е/Стэнфордский университет)

Де в стремлении похудеть

Будь они в форме цилиндров или пакетов, литий-ионные батареи имеют два токосъемника, по одному на каждый электрод. Они распределяют ток, втекающий или выходящий из электрода, и составляют от 15% до 50% веса некоторых мощных или ультратонких аккумуляторов. Уменьшение веса батареи желательно само по себе, что позволяет использовать более легкие устройства и уменьшать вес электромобилей, которые приходится таскать с собой; хранение большего количества энергии на заданный вес позволяет устройствам и электромобилям дольше работать без подзарядки.

По словам Цуй, снижение веса и воспламеняемости аккумуляторов также может оказать большое влияние на переработку, так как транспортировка переработанных аккумуляторов станет дешевле.

Исследователи аккумуляторной промышленности пытались уменьшить вес токосъемников, делая их тоньше или более пористыми, но эти попытки имели нежелательные побочные эффекты, такие как повышение хрупкости или химической нестабильности аккумуляторов или необходимость в большем количестве электролита, что повышает стоимость. , — сказал Юшэн Е, научный сотрудник лаборатории Цуя, проводивший эксперименты с приглашенным ученым Лянь-Ян Чжоу.

Что касается вопроса безопасности, он сказал:«Люди также пытались добавить антипирен в электролит батареи, который является легковоспламеняющейся частью, но вы можете добавить столько, сколько нужно, прежде чем он станет вязким и перестанет хорошо проводить ионы». П>

Модернизированный токосъемник для литий-ионных аккумуляторов делает аккумуляторы легче, энергоэффективнее и безопаснее. Это также могло бы сократить расходы, заменив медь более дешевым полимером и уменьшив стоимость транспортировки аккумуляторов для переработки. (Грег Стюарт/Национальная ускорительная лаборатория SLAC)

Сэндвич из полимерной фольги

Обдумав проблему, Цуй, Е и аспирант Яюань Лю разработали эксперименты по изготовлению и испытанию токосъемников на основе легкого полимера под названием полиимид, который устойчив к огню и выдерживает высокие температуры, создаваемые быстрой зарядкой аккумулятора. В полимер вводили антипирен – трифенилфосфат, или ТФФ, который затем покрывали с обеих сторон ультратонким слоем меди. Медь не только будет выполнять свою обычную работу по распределению тока, но и защитит полимер и его антипирен.

Эти изменения уменьшили вес токосъемника на 80% по сравнению с сегодняшними версиями, сказал Е, что означает увеличение плотности энергии на 16-26% в различных типах батарей, и он проводит ток так же хорошо, как обычные коллекторы без деградация.

При воздействии открытого огня литий-ионные аккумуляторы, изготовленные с использованием современных коммерческих токосъемников (верхний ряд), загорались и активно горели, пока не сгорел весь электролит. Батареи с новыми огнезащитными коллекторами (нижний ряд) давали слабое пламя, которое гасло в течение нескольких секунд и не вспыхивало снова, даже когда ученые пытались их поджечь. (Юшэн Е/Стэнфордский университет)

По словам Е, под воздействием открытого пламени зажигалки карманные батареи, изготовленные с использованием современных коммерческих токосъемников, загорелись и активно горели, пока не сгорел весь электролит. Но в батареях с новыми огнезащитными коллекторами огонь так и не разгорелся, производя очень слабое пламя, которое гасло в течение нескольких секунд и не вспыхивало снова, даже когда ученые пытались его снова разжечь.

Цуй сказал, что одно из больших преимуществ такого подхода заключается в том, что новый коллектор должен быть прост в изготовлении, а также дешевле, поскольку он заменяет часть меди недорогим полимером. Поэтому масштабирование его для коммерческого производства, по его словам, «должно быть вполне выполнимо». Исследователи подали заявку на патент через Стэнфорд, и Цуй сказал, что они свяжутся с производителями аккумуляторов, чтобы изучить возможности.

Эта работа была поддержана Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии Министерства энергетики США, Управлением транспортных технологий в рамках программы оценки литий-ионных аккумуляторов eXtreme Fast Charge Cell (XCEL).

Ссылка:  Юшен Е и др., Nature Energy , 15 октября 2020 г. (10.1038/s41560-020-00702-8)

<ч />

SLAC — это динамичная многопрограммная лаборатория, которая исследует, как работает Вселенная в самых больших, малых и быстрых масштабах, и изобретает мощные инструменты, используемые учеными по всему миру. Благодаря исследованиям, охватывающим физику частиц, астрофизику и космологию, материалы, химию, био- и энергетические науки и научные вычисления, мы помогаем решать реальные проблемы и продвигать интересы нации.

SLAC управляется Стэнфордским университетом для  США Управление науки Министерства энергетики <эм>. Управление по науке является крупнейшим сторонником фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из самых насущных проблем нашего времени.

Изображения предоставлены SLAC, Stanford Education News