Nyt twist i løbet om at udskifte grafitanoden til bedre genopladelige batterier

Forbedringer af en klasse af batterielektrolyt, der først blev introduceret i 2017-flydende gaselektrolytter-kunne bane vejen til et kraftigt og længe søgt fremskridt for genopladelige batterier:udskiftning af grafitanoden med en lithium-metalanode.

Forskningen, offentliggjort 1. juli, 2019 af tidsskriftet Joule , bygger på innovationer, der først blev rapporteret i Videnskab i 2017 af den samme forskningsgruppe ved University of California San Diego og universitetets spinout South 8 Technologies.

At finde omkostningseffektive måder at udskifte grafitanoden i kommercielle lithium-ion-batterier er af stor interesse, fordi det kan føre til lettere batterier, der kan lagre mere ladning, via en 50 procent stigning i energitæthed på celleniveau. Den øgede energitæthed kommer fra en kombination af faktorer, herunder lithium-metalanodens høje specifikke kapacitet, lavt elektrokemisk potentiale, og let vægt (lav densitet).

Som resultat, at skifte til lithium-metal-anoder ville udvide rækkevidden af ​​elektriske køretøjer betydeligt og sænke omkostningerne ved batterier, der bruges til netopbevaring, forklarede UC San Diego nanoengineering professor Shirley Meng, en tilsvarende forfatter på det nye papir i Joule .

Imidlertid, at skifte kommer med tekniske udfordringer. Hovedhindringen er, at litiummetalanoder ikke er kompatible med konventionelle elektrolytter. To mangeårige problemer opstår, når disse anoder er parret med konventionelle elektrolytter:lav cyklingseffektivitet og dendritvækst.

Så Meng og kollegers tilgang var at skifte til en mere kompatibel elektrolyt, kaldet flydende gaselektrolytter.

Flydende gaselektrolytter i aktion

Et af de pirrende aspekter ved disse flydende gaselektrolytter er, at de fungerer både ved stuetemperatur og ved ekstremt lave temperaturer, ned til minus 60 C. Disse elektrolytter er fremstillet af opløsningsmidler til flydende gas - gasser, der er flydende under moderate tryk - som er langt mere modstandsdygtige over for frysning end standard flydende elektrolytter.

I papiret fra 2019 i Joule , forskerne rapporterer om, hvordan gennem både eksperimentelle og beregningsmæssige undersøgelser, de forbedrer deres forståelse for nogle af manglerne ved den flydende gaselektrolytkemi. Med denne viden, de var i stand til at skræddersy deres flydende gaselektrolytter til forbedret ydeevne i nøgletal for litium-metalanoder, både ved stuetemperatur og minus 60 C.

I lithium-metal halvcelletest, teamet rapporterer, at anodens cykeleffektivitet (Coulombic effektivitet) var 99,6 procent for 500 opladningscyklusser ved stuetemperatur. Dette er op fra den 97,5 procent cykeleffektivitet, der blev rapporteret i 2017 Videnskab papir, og en 85 procent cyklingseffektivitet for lithiummetalanoder med en konventionel (flydende) elektrolyt.

Ved minus 60 C, holdet demonstrerede lithium-metal anode cykling effektivitet på 98,4 procent. I modsætning, de fleste konventionelle elektrolytter virker ikke under minus 20 C.

UC San Diego -teamets simulerings- og karakteriseringsværktøjer, mange udviklet i Laboratory for Energy Storage and Conversion ledet af Shirley Meng, give forskerne mulighed for at forklare, hvorfor lithiummetalanoder fungerer bedre med flydende gaselektrolytter. I det mindste en del af svaret har at gøre med, hvordan litiumpartiklerne aflejres på metalanodeoverfladen.

Forskerne rapporterer den glatte og kompakte aflejring af lithiumpartikler på lithium-metal-anoder, når der anvendes flydende gaselektrolytter. I modsætning, når der anvendes konventionelle elektrolytter, nålelignende dendritter dannes på lithiummetalanoden. Disse dendritter kan forringe effektiviteten, forårsage kortslutninger, og føre til alvorlige sikkerhedstrusler.

Et mål for hvor tæt lithiumpartikler aflejres på anodeoverflader er porøsitet. Jo lavere porøsitet jo bedre. Forskerholdet rapporterer i Joule at porøsiteten af ​​lithiumpartikelaflejring på en metalanode er 0,90 procent ved stuetemperatur ved anvendelse af flydende gaselektrolytter ved stuetemperatur. Porøsiteten i nærvær af konventionelle elektrolytter hopper til 16,8 procent.

Løbet om den rigtige elektrolyt

Der er i øjeblikket et stort skub for at finde eller forbedre elektrolytter, der er kompatible med litiummetalanoden og er konkurrencedygtige med hensyn til omkostninger, sikkerhed, og temperaturområde. Forskningsgrupper har hovedsageligt kigget på stærkt koncentrerede opløsningsmidler (flydende) eller elektrolytter i fast tilstand, men der er i øjeblikket ingen sølvkugle.

"Som en del af batteriforskningssamfundet, Jeg er overbevist om, at vi kommer til at udvikle de elektrolytter, vi har brug for til lithium-metal-anoder. Jeg håber, at denne forskning inspirerer flere forskningsgrupper til at tage et seriøst kig på flydende gaselektrolytter, "sagde Meng.

Meng er også den tilsvarende forfatter til en relateret artikel i maj 2019 -udgaven af Tendenser inden for kemi "Nøgleproblemer i at forhindre en praktisk litium-metalanode."