At overvinde et batteris fatale fejl

Efterhånden som vedvarende energi vokser som en energikilde rundt om i verden, en nøglekomponent unddrager sig stadig industrien:storstilet, stabil, effektive og overkommelige batterier.

Lithium-ion-batterier har vist sig at være vellykkede til forbrugerelektronik, men elbiler, vindmøller eller smart grids kræver batterier med langt større energikapacitet. En førende udfordrer er lithium-metalbatteriet, som adskiller sig fra lithium ion teknologi ved, at den indeholder lithium metal elektroder.

Først undfanget i 1912, lithium-metal batterier har potentiale til enorme mængder energilagring til en lav pris, men de lider af en fatal fejl:dendritter - skarpe nåle lavet af klumper af lithiumatomer, der kan få batterier til at varme op og lejlighedsvis kortslutte og antænde.

Imidlertid, løftet om teknologien har fået forskere og virksomheder til at arbejde på måder at overvinde dette problem.

"Lithium-metal-batterier er dybest set drømmebatterierne, da de giver en ekstrem høj energitæthed, " sagde Reza Shahbazian-Yassar, lektor i maskin- og industriteknik ved University of Illinois i Chicago (UIC). "Imidlertid, vi har ikke været i stand til at bygge kommercielt levedygtige lithiummetalbatterier med organiske flydende elektrolytter på grund af heterogen lithiummetalbelægning, der fører til dendritter under længere battericyklus."

For nylig, hold af forskere, herunder Shahbazian-Yassar ved UIC og Perla Balbuena ved Texas A&M University, har været tættere på at finde en løsning, dels ved at anvende supercomputeres kraft til at forstå kernen i kemien og fysikken i dendritdannelsen og til at konstruere nye materialer, der kan afbøde dendritvækst.

Skriver ind Avancerede funktionelle materialer i februar 2018, forskerne præsenterede resultaterne af undersøgelser af et nyt materiale, der kan løse det langvarige dendritproblem.

"Idéen var at udvikle et belægningsmateriale, der kan beskytte lithiummetallet og gøre ionaflejringen meget glattere, " sagde Balbuena, professor i kemiteknik ved Texas A&M og medforfatter på papiret.

Undersøgelserne byggede på Stampede og Lonestar supercomputere ved Texas Advanced Computing Center (TACC) - blandt de mest magtfulde i verden.

ION PACHINKO

I avisen, forskerne beskrev et grafenoxid-nanoark, der kan sprøjtes på en glasfiberseparator, som derefter indsættes i batteriet. Materialet tillader lithium-ioner at passere gennem det, men bremser og styrer, hvordan ionerne kombineres med elektroner fra overfladen for at blive neutrale atomer. I stedet for at danne nåle, de aflejrede atomer danner glatte, flade overflader i bunden af ​​arket.

Forskerne brugte computermodeller og simuleringer sammen med fysiske eksperimenter og mikroskopisk billeddannelse for at afsløre, hvordan og hvorfor materialet effektivt kontrollerer lithiumaflejring. De viste, at lithiumionerne danner en tynd film på overfladen af ​​grafenoxidet og derefter diffunderer gennem defekte steder - i det væsentlige huller i materialets lag - før de sætter sig under det nederste lag af grafenoxidet. Materialet fungerer som pløkkene i et pachinko-spil, bremse og dirigere metalkuglerne, når de falder.

"Vores bidrag var at udføre simuleringer af molekylær dynamik, hvor vi følger elektronernes og atomernes bane i tid og observerer, hvad der foregår på det atomistiske niveau, " sagde Balbuena. "Vi var interesserede i at belyse, hvordan lithiumionerne diffunderede gennem systemet og blev til atomer, når aflejringen ender i lithiumplettering."

De grafenoxid-doterede batterier viser en forbedret cykluslevetid og udviser stabilitet op til 160 cyklusser, hvorimod et umodificeret batteri hurtigt mister sin effektivitet efter 120 cyklusser. Oxidet kan påføres enkelt og overkommeligt med en sprøjtepistol.

Hvordan sprayen er lagt i lag på nanoarkene var et andet fokus for forskningen. "Når du laver eksperimentet, det er ikke klart på mikroskopisk niveau, hvor belægningen vil sidde, " sagde Balbuena. "Den er meget tynd, så det er ikke trivielt at lokalisere disse belægninger med præcision."

Deres computermodel undersøgte, om det ville være mere fordelagtigt, hvis oxidet var orienteret parallelt eller vinkelret på strømaftageren. Begge kan være effektive, de fandt, men hvis de deponeres parallelt, materialet kræver et vist antal defekter, så ioner kan slippe igennem.

"Simuleringerne gav vores samarbejdspartnere ideer om mekanismen for ionoverførsel gennem belægningen, " sagde Balbuena. "Det er muligt, at nogle af de fremtidige retninger kan involvere forskellig tykkelse eller kemisk sammensætning baseret på det fænomen, vi observerede."

UNDERSØGELSE AF ALTERNATIVE KATODEMATERIALER

I særskilt forskning, udgivet i ChemSusChem i februar 2018, Balbuena og kandidatstuderende Saul Perez Beltran beskrev et batteridesign, der bruger grafenplader til at forbedre ydeevnen af ​​kulstof-svovl-katoder til lithium-svovl-batterier, et andet potentielt lagersystem med høj kapacitet.

Udover svovls naturlige overflod, ikke-toksicitet og lave omkostninger, en svovlbaseret katode er teoretisk i stand til at levere lagring op til 10 gange større end de almindeligt anvendte lithium-koboltoxidkatoder i konventionelle lithium-ion-batterier.

Imidlertid, kemiske reaktioner i batteriet fører til dannelsen af ​​lithiumpolysulfider, kemiske forbindelser indeholdende kæder af svovlatomer. Langkædede polysulfider er opløselige i den flydende elektrolyt og migrerer til lithiummetalanoden, hvor de nedbrydes, en uønsket effekt. På den anden side, kortkædede polysulfider er uopløselige og forbliver ved den svovlbaserede katode. Forskerne undersøgte, hvordan katodemikrostrukturen kan påvirke denne kemi.

De adresserede problemet med ukontrolleret polysulfiddannelse ved at skabe et svovl/grafen-kompositmateriale, der undgår dannelsen af ​​de opløselige langkædede polysulfider. De fandt ud af, at grafenpladerne bringer stabilitet til katoden og forbedrer dens ionfangende evner.

Balbuenas forskning er støttet af Department of Energy som en del af Battery Materials Research og Battery 500 Seedling-programmerne, som begge har til formål at skabe mindre, sikrere, lettere og billigere batteripakker for at gøre elbiler mere overkommelige.

Stampede og dets opfølger Stampede2 er støttet af tilskud fra National Science Foundation og giver titusindvis af forskere fra hele landet mulighed for at udforske problemer, som vi ellers ikke kunne løse.

"Dette er meget omfattende beregninger, det er derfor, vi har brug for højtydende computere, " sagde Balbuena. "Vi er store brugere af TACC-ressourcer, og vi er meget taknemmelige over for University of Texas for at tillade os at bruge disse faciliteter."

For Balbuena, supercomputerdrevet grundforskning i næste generations batterier er en perfekt syntese af hendes interesser.

"Forskning er en kombination af kemi, fysik og teknik, alt sammen aktiveret af computere, dette teoretiske mikroskop, der kan visualisere ting gennem teori."