Talking ScienceΈνας νέος σχεδιασμός ηλεκτρολυτών για μπαταρίες μετάλλου λιθίου θα μπορούσε να ενισχύσει σημαντικά τη γκάμα των ηλεκτρικών οχημάτων. Ερευνητές στο ETH Zurich έχουν μειώσει ριζικά την ποσότητα του επιβλαβούς για το περιβάλλον φθορίου που απαιτείται για τη σταθεροποίηση αυτών των μπαταριών.
Εν συντομία
- Οι μπαταρίες μετάλλου λιθίου θεωρούνται ως η επόμενη γενιά μπαταριών υψηλής ενέργειας. Μπορούν να αποθηκεύσουν διπλάσια ενέργεια ανά μονάδα όγκου από τις συμβατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου.
- Μέχρι σήμερα, μεγάλες ποσότητες επιβλαβούς για το περιβάλλον φθορίου έχουν προστεθεί σε αυτές τις μπαταρίες για να αυξήσουν τη σταθερότητά τους και να σταματήσουν την υπερθέρμανση ή την ανάφλεξή τους.
- Ερευνητές στο ETH Zurich έχουν τώρα αναπτύξει μια μέθοδο που μειώνει σημαντικά τη χρήση φθορίου, μειώνοντας έτσι το περιβαλλοντικό αποτύπωμα τέτοιων μπαταριών.
Οι μπαταρίες λιθίου είναι από τους πιο υποσχόμενους υποψηφίους της επόμενης γενιάς μπαταριών υψηλής ενέργειας. Μπορούν να αποθηκεύσουν τουλάχιστον διπλάσια ενέργεια ανά μονάδα όγκου από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου που χρησιμοποιούνται ευρέως σήμερα. Αυτό θα σημαίνει, για παράδειγμα, ότι ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο μπορεί να ταξιδέψει δύο φορές περισσότερο με μία μόνο φόρτιση ή ότι ένα smartphone δεν θα χρειάζεται να επαναφορτίζεται τόσο συχνά.
Προς το παρόν, υπάρχει ακόμα ένα σημαντικό μειονέκτημα με τις μπαταρίες μετάλλου λιθίου: ο υγρός ηλεκτρολύτης απαιτεί την προσθήκη σημαντικών ποσοτήτων φθοριούχων διαλυτών και φθοριούχων αλάτων, γεγονός που αυξάνει το περιβαλλοντικό του αποτύπωμα. Χωρίς την προσθήκη φθορίου, ωστόσο, οι μπαταρίες μετάλλου λιθίου θα ήταν ασταθείς, θα σταματούσαν να λειτουργούν μετά από πολύ λίγους κύκλους φόρτισης και θα ήταν επιρρεπείς σε βραχυκυκλώματα καθώς και σε υπερθέρμανση και ανάφλεξη. Μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τη Maria Lukatskaya, Καθηγήτρια Ηλεκτροχημικών Ενεργειακών Συστημάτων στο ETH Zurich, ανέπτυξε τώρα μια νέα μέθοδο που μειώνει δραματικά την ποσότητα φθορίου που απαιτείται στις μπαταρίες λιθίου, καθιστώντας τις έτσι πιο φιλικές προς το περιβάλλον και πιο σταθερές καθώς και ως προς το κόστος. αποτελεσματικός.
Πώς λειτουργεί μια μπαταρία λιθίου μετάλλου;
Μια μπαταρία αποτελείται από μια αρνητικά φορτισμένη άνοδο και μια θετικά φορτισμένη κάθοδο. Σε μια μπαταρία ιόντων λιθίου, η άνοδος είναι κατασκευασμένη από γραφίτη. σε μια μπαταρία λιθίου, είναι κατασκευασμένη από μέταλλο λιθίου. Ο υγρός ηλεκτρολύτης διαχωρίζει την άνοδο και την κάθοδο. Καθώς η μπαταρία φορτίζεται, τα θετικά φορτισμένα ιόντα λιθίου μεταναστεύουν από την κάθοδο στην άνοδο. Όταν τα ιόντα λιθίου φτάσουν στην άνοδο, χάνουν το θετικό τους φορτίο και σχηματίζουν μεταλλικό λίθιο.
Ένα σταθερό προστατευτικό στρώμα αυξάνει την ασφάλεια και την απόδοση της μπαταρίας
Οι φθοριούχες ενώσεις από τον ηλεκτρολύτη βοηθούν στο σχηματισμό ενός προστατευτικού στρώματος γύρω από το μεταλλικό λίθιο στο αρνητικό ηλεκτρόδιο της μπαταρίας. «Αυτό το προστατευτικό στρώμα μπορεί να συγκριθεί με το σμάλτο ενός δοντιού», εξηγεί ο Lukatskaya. «Προστατεύει το μεταλλικό λίθιο από συνεχή αντίδραση με συστατικά ηλεκτρολυτών». Χωρίς αυτό, ο ηλεκτρολύτης θα εξαντλούνταν γρήγορα κατά τη διάρκεια της ποδηλασίας, η κυψέλη θα αποτύγχανε και η έλλειψη σταθερού στρώματος θα είχε ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό μεταλλικών μουστών λιθίου – «δενδρίτες» – κατά τη διαδικασία επαναφόρτισης αντί για ένα ομοιόμορφο επίπεδο στρώμα.
Εάν αυτοί οι δενδρίτες αγγίξουν το θετικό ηλεκτρόδιο, αυτό θα προκαλούσε βραχυκύκλωμα με κίνδυνο η μπαταρία να θερμανθεί τόσο πολύ ώστε να αναφλεγεί. Η ικανότητα ελέγχου των ιδιοτήτων αυτού του προστατευτικού στρώματος είναι επομένως κρίσιμη για την απόδοση της μπαταρίας. Ένα σταθερό προστατευτικό στρώμα αυξάνει την απόδοση, την ασφάλεια και τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.
Ελαχιστοποίηση της περιεκτικότητας σε φθόριο
«Το ερώτημα ήταν πώς να μειωθεί η ποσότητα του προστιθέμενου φθορίου χωρίς να διακυβεύεται η σταθερότητα του προστατευτικού στρώματος», λέει ο διδακτορικός φοιτητής Nathan Hong. Η νέα μέθοδος της ομάδας χρησιμοποιεί ηλεκτροστατική έλξη για να πετύχει την επιθυμητή αντίδραση. Εδώ, ηλεκτρικά φορτισμένα φθοριούχα μόρια χρησιμεύουν ως όχημα για τη μεταφορά του φθορίου στο προστατευτικό στρώμα. Αυτό σημαίνει ότι μόνο 0,1 τοις εκατό κατά βάρος φθόριο απαιτείται στον υγρό ηλεκτρολύτη, το οποίο είναι τουλάχιστον 20 φορές χαμηλότερο από ό,τι σε προηγούμενες μελέτες.
Η βελτιστοποιημένη μέθοδος κάνει τις μπαταρίες πιο πράσινες
Η ερευνητική ομάδα ETH Zurich περιγράφει τη νέα μέθοδο και τις βασικές αρχές της σε μια εξωτερική σελίδαpapercall_made που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Energy & Environmental Science. Έχει υποβληθεί αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας. Η Lukatskaya πραγματοποίησε αυτήν την έρευνα με τη βοήθεια ενός SNSF Starting Grant.
Μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις ήταν να βρεθεί το σωστό μόριο στο οποίο θα μπορούσε να συνδεθεί το φθόριο και το οποίο επίσης θα αποσυντεθεί ξανά κάτω από τις κατάλληλες συνθήκες μόλις φτάσει στο μέταλλο λιθίου. Όπως εξηγεί η ομάδα, ένα βασικό πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι μπορεί να ενσωματωθεί απρόσκοπτα στην υπάρχουσα διαδικασία παραγωγής μπαταριών χωρίς να δημιουργεί πρόσθετο κόστος για την αλλαγή της ρύθμισης παραγωγής. Οι μπαταρίες που χρησιμοποιήθηκαν στο εργαστήριο είχαν το μέγεθος ενός νομίσματος. Σε ένα επόμενο βήμα, οι ερευνητές σχεδιάζουν να δοκιμάσουν την επεκτασιμότητα της μεθόδου και να την εφαρμόσουν σε κελιά θήκης όπως χρησιμοποιούνται στα smartphone.
Aναδημοσίευση άρθρου της Deborah Kyburz 05.07.2024 στο ETH Zurich News. Link to original article >
Πηγή: Hong CN, Yan M, Borodin O, Pollard TP, Wu L, Reiter M, Gomez Vazquez D, Trapp K, Yoo JM, Shpigel N, Feldblyum JI, Lukatskaya MR: Robust battery interphases from dilute fluorinated cations. Energy & Environmental Science, 2. May 2024, doi: 10.1039/d4ee00296b
