Umožnia tekuté kryštály ako elektrolyty v lítium-iónových batériách vytvárať stabilné lítiové kovové články?

Zaujímavá štúdia Carnegie Mellon University. Vedci navrhli použitie tekutých kryštálov v lítium-iónových článkoch na zvýšenie ich energetickej hustoty, stability a nabíjacej kapacity. Práce ešte nepokročili, takže na ich dokončenie si počkáme minimálne päť rokov – ak to vôbec bude možné.

Tekuté kryštály spôsobili revolúciu v displejoch, teraz môžu pomôcť batériám

obsah

• Tekuté kryštály spôsobili revolúciu v displejoch, teraz môžu pomôcť batériám
  • Tekuté kryštály ako trik na získanie tekuto-tuhého elektrolytu

Stručne povedané: výrobcovia lítium-iónových článkov sa v súčasnosti snažia zvýšiť energetickú hustotu článkov pri zachovaní alebo zlepšení výkonu článkov, vrátane napríklad zlepšenia stability pri vyšších nabíjacích výkonoch. Cieľom je, aby boli batérie ľahšie, bezpečnejšie a rýchlejšie sa nabíjali. Trochu ako trojuholník rýchlo-lacno-dobre.

Jedným zo spôsobov, ako výrazne zvýšiť špecifickú energiu článkov (1,5-3 krát) je použitie anód vyrobených z kovového lítia (Li-metal).... Nie uhlík alebo kremík, ako predtým, ale lítium, prvok, ktorý je priamo zodpovedný za kapacitu bunky. Problém je v tom, že toto usporiadanie rýchlo vytvára dendrity lítia, kovové výčnelky, ktoré časom spájajú dve elektródy a poškodzujú ich.

Tekuté kryštály ako trik na získanie tekuto-tuhého elektrolytu

V súčasnosti sa pracuje na balení anód do rôznych materiálov, aby sa vytvoril vonkajší plášť, ktorý umožňuje tok lítiových iónov, ale neumožňuje rast pevných štruktúr. Potenciálnym riešením problému je aj použitie pevného elektrolytu - steny, cez ktorú dendrity nepreniknú.

Vedci z Carnegie Mellon University zvolili iný prístup: chcú zostať pri osvedčených tekutých elektrolytoch, ale na báze tekutých kryštálov. Tekuté kryštály sú štruktúry, ktoré sú na polceste medzi kvapalinou a kryštálmi, to znamená pevné látky s usporiadanou štruktúrou. Tekuté kryštály sú tekuté, ale ich molekuly sú vysoko usporiadané (zdroj).

Na molekulárnej úrovni je štruktúra tekutého kryštálového elektrolytu len kryštalická štruktúra, a tak blokuje rast dendritov. Stále však máme do činenia s kvapalinou, teda fázou, ktorá umožňuje prúdenie iónov medzi elektródami. Rast dendritov je zablokovaný, záťaž musí prúdiť.

Toto sa v štúdii nespomína, ale tekuté kryštály majú ešte jednu dôležitú vlastnosť: akonáhle je na ne privedené napätie, môžu byť usporiadané v určitom poradí (ako môžete vidieť napríklad pri pohľade na tieto slová a hranicu medzi čiernou farbou). písmená a svetlé pozadie). Môže sa teda stať, že keď sa článok začne nabíjať, molekuly tekutých kryštálov budú umiestnené pod iným uhlom a „zoškrabú“ dendritické usadeniny z elektród.

Vizuálne to bude pripomínať zatváranie klapiek, povedzme, vo vetracom otvore.

Negatívom situácie je, že Univerzita Carnegie Mellon práve začala s výskumom nových elektrolytov... Je už známe, že ich stabilita je nižšia ako u bežných kvapalných elektrolytov. K degradácii buniek dochádza rýchlejšie a toto nie je smer, ktorý nás zaujíma. Je však možné, že časom sa problém vyrieši. Navyše neočakávame objavenie sa zlúčenín v tuhom stave skôr ako v druhej polovici dekády:

> LG Chem používa sulfidy v bunkách v tuhom stave. Komercializácia pevného elektrolytu nie skôr ako v roku 2028

Úvodná fotografia: Lítiové dendrity sa tvoria na elektróde mikroskopického lítium-iónového článku. Veľká tmavá postava na vrchu je druhá elektróda. Počiatočná „bublina“ atómov lítia v určitom bode vyletí a vytvorí „fúzy“, ktorý je základom vznikajúceho dendritu (c) PNNL Unplugged / YouTube:

Toto by vás mohlo zaujímať: