Ян Яо, Каллен, профессор электротехники и компьютерной инженерии в Калленском инженерном колледже Хьюстонского университета, и доктор наук Джибо Чжан вместе с коллегами из Университета Райса решают эту задачу. В статье, опубликованной 17 июня в Джоуль, Чжан, Яо и его команда, демонстрируется двукратное улучшение плотности энергии для твердотельных литиевых батарей на органической основе за счет использования процесса с добавлением растворителя для изменения микроструктуры электрода.
Соавторами статьи выступили Чжаоян Чен, Фанг Хао, Яньлян Лян из UH, Цин Ай, Танги Терлиер, Хуа Го и Цзюнь Лу из Университета Райса.
«Мы разрабатываем недорогие катодные материалы на органической основе с большим количеством земли и без содержания кобальта для твердотельных батарей, которые больше не будут нуждаться в редких переходных металлах, обнаруживаемых в шахтах», – сказал Яо. «Это исследование является шагом вперед в увеличении плотности энергии аккумуляторных батарей электромобилей с использованием этой более экологичной альтернативы."Яо также является главным исследователем Техасского центра сверхпроводимости в UH (TcSUH).
Любая батарея включает в себя анод и катод, которые в батарее разделены пористой мембраной. Ионы лития протекают через ионный проводник – электролит, который позволяет заряжать и разряжать электроны, которые генерируют электричество, скажем, для автомобиля.
Электролиты обычно жидкие, но в этом нет необходимости – они также могут быть твердыми, это относительно новая концепция. Эта новинка в сочетании с литий-металлическим анодом может предотвратить короткое замыкание, повысить плотность энергии и ускорить зарядку.
Катоды обычно определяют емкость и напряжение аккумулятора и, следовательно, являются самой дорогой частью аккумуляторов из-за использования дефицитных материалов, таких как кобальт, – дефицит должен достигнуть 65000 тонн в 2030 году. Катоды на основе кобальта почти исключительно используются в твердотельных батареях из-за их превосходных характеристик; только недавно литиевые батареи на основе органических соединений (OBEM-Li) стали более распространенной и чистой альтернативой, которую легче перерабатывать.
«Существует серьезная проблема, связанная с цепочкой поставок литий-ионных батарей в Соединенных Штатах, – сказал Яо. «В этой работе мы показываем возможность создания литиевых батарей с высокой плотностью энергии путем замены катодов на основе переходных металлов органическими материалами, полученными либо на нефтеперерабатывающем заводе, либо на биоперерабатывающем заводе.S. имеет самую большую емкость в мире."
Катоды на основе кобальта генерируют 800 Втч / кг удельной энергии на уровне материала или напряжения, умноженного на емкость, как и батареи OBEM-Li, что было впервые продемонстрировано командой в их более ранней публикации, но предыдущие батареи OBEM-Li были ограничены низкая массовая доля активных материалов из-за неидеальной микроструктуры катода. Эта ограниченная общая плотность энергии.
Яо и Чжан раскрыли, как улучшить плотность энергии на уровне электродов в батареях OBEM-Li за счет оптимизации микроструктуры катода для улучшения переноса ионов внутри катода. Для этого микроструктура была изменена с помощью знакомого растворителя – этанола.
В качестве органического катода использовался пирен-4,5,9,10-тетраон или PTO.
«Катоды на основе кобальта часто отдают предпочтение, потому что микроструктура идеальна по своей природе, но формирование идеальной микроструктуры в твердотельной батарее на органической основе является более сложной задачей», – сказал Чжан.
На уровне электродов микроструктура с добавлением растворителя увеличила удельную энергию до 300 Втч / кг по сравнению с микроструктурой с сухим смешиванием при чуть менее 180 Втч / кг за счет значительного улучшения коэффициента использования активного материала. Раньше количество активных материалов можно было увеличить, но процент использования все еще был низким, около 50%.
Благодаря участию Чжана коэффициент использования увеличился до 98%, что привело к повышению плотности энергии.
«Первоначально я исследовал химические свойства PTO, которые, как я знал, будут окислять сульфидный электролит», – сказал Чжан. "Это привело к дискуссии о том, как мы могли бы воспользоваться этой реакцией.
Вместе с коллегами из Университета Райса мы исследовали химический состав, пространственное распределение и электрохимическую обратимость межфазной фазы катод-твердый электролит, что может дать нам подсказки относительно того, почему батарея может так хорошо работать без снижения емкости », – сказал Чжан.
За последние десять лет стоимость аккумуляторов для электромобилей снизилась почти до 10% от их первоначальной стоимости, что сделало их коммерчески жизнеспособными. Итак, за десятилетие может произойти многое. Это исследование является поворотным шагом в процессе создания более экологичных электромобилей и трамплином для следующего десятилетия исследований.
При такой скорости, возможно, так же буквально, как и эвфемистически, с другой стороны, будущее выглядит гораздо зеленее.
Это исследование финансировалось Управлением энергоэффективности и возобновляемых источников энергии (EERE) Министерства энергетики США в рамках Консорциума Battery 500.