Нов прототип на батерии съхранява три пъти повече енергия

батерии

Забравете за телефонни батерии – мислете за автомобили.

Изследователите са създали дизайн на нов прототипен тип батерии, които могат да сложат край на експлозиите на батерии, да направят възможно съгранението на много повече енергия в единична батерия и драматично да отворят пазара на електромобили.

Изследване,  проведено от учени от Rice University и публикувано през 2017-та година в журнала Nano на “Американското химично общество” твърди, че е създадена работеща “литиево-метална” батерия, която увеличава съхранението на енергия близо до теоретичния максимум за материала. Това може да осигури три пъти по-голям реален капацитет от този, който имат в момента литиево-йонните батерии, използвани в устройства като телефони, преносими компютри и електрически автомобили.

Прототипът се създава за да адресира основния проблем, причина за експлозиите на the  Samsung’s Galaxy Note 7 to explode: образуването на литиеви “дендрити” по време на процеса на зареждане на батерията. Посредством използването на изцяло нов тип електрод, базиран на материала-чудо графен, учениете смятат, че са намерили решение на проблема.

Голямото разнообразие на типове батерии в света се базира само два метални електрода, разделени от течност, която е изпълнена с електрон-носещи метални йони (литий, мед и др.) които могат да преминават напред и назад през нея.  Това е. Йоните прикрепят електрони към един електрод и после ги пренасят през течността към другия, къдет ги задържат, докато ги отделят за да захранят устройството.  Йоните, които не носят електрони отново се движат дифузно обратно в течността за да се свържат отново с първия електрон, когато такъв е наличен, обикновено, защото сме включили устройството да се зарежда.

Да бъде “заредена” една батерия е да има всички налични електрон-транспортиращи йони закрепени към заредената страна на електрода, готови и очакващи да се освободят от каргото си и да се върнат обратно за още.

Как работят батериите

(включете субтитрите и от настройки изберете български език)

С други думи, броят на йоните, които могат да бъдат свързани към електродите е нещото, което определя какво количество енергия може да съхрани една батерия и съвременните литиево-йонни технологии са достигнали максималния капацитет на този тип съхранение. За да поберат още повече енергия вътре, инженерите или трябва да заменят лития като електрон-транспортиращ йон, или да намерят изцяло нов начин за събиране на повече литий в същото пространство.

Дълго време учените вярваха, че поместването на литий в обвивка от солиден метал (или покритие на електрода с литий) би бил най-ефикасния начин за “опаковане”, но процесът на покриване винаги е водил до нарастването на излишни структури върху желаното покритие, особено на дълги нишки или “пръстчета” от метал, наречени “дендрити”.  Ако тези дендрити станат достатъчно дълги, те могат да се свържат в мост между електродите и по този начин да се докоснат, което води до късо съединение и дори запалването на батерията, както при Galaxy Note 7.

Литиево съединение покрива хибридния графен и въглероднен анод под формата на нанотръбичка е създаден в батерия в Rice University. Литиев метален слой покрива триизмерната структура на анода и предотвратява оформянето на дендрити.

Този екип от учени опитва да реши проблема с дендритите посредством нов електрод, който е направен от лист графен с “гора от нанотръбички”  от въглеродни/карбонови нанотръбички, закрепени към електрод и стърчащи от него. Тези “атомно тънки” материали осигуряват изключително голяма площ за свързване на лития, на практика достигайки до теоретичния максимум.  Отвъд тази наситеност с нанотръбички, електродите ще са толкова плътно закрепени, че практически ще има по-малко място за свързване на лития.

Изобразяване на “гората от нанотръбички” върху субстрат от графен. 

Най-голямото достижение е това, което може да се прави с тази площ: да се изгради покритие от литиево съединение, което е абсолютно свободно от дендрити. Въпреки, че дори самият екип не знае защо хибридните графен-карбонови-нанотръбички в електрода имат такова великолепно свойство, тестовете показват, че то съществува.

В този момент екипът е създал батерия с електрод само в едната й част, но скоро се очаква и пълна работеща версия на проекта. Съдейки по капацитета на единичния електрод, който са тествали, учените предвиждат, че е реалистично да бъде създадена батерия с капацитет от  3,350 милиамперчаса за грам или три пъти повече от сегашните литиево-йонни технологии.

И така, вземайки предвид, че откритията за липсата на оформени дендрити се потвърдят, най-големият въпрос е дали тези гори от нанотръбички могат да бъдат произвеждани на поносима цена.

Изображение от електронен микроскоп показва карбоновите нанотръбички, равномерно покрити с литий.  Тестовете на аноди с графен-въглеродни нанотръбички, създадени в Rice University показват, че по този начин се възпрепятства образуването на литиеви дендрити, които могат да повредят батериите.Това е особено приложимо за електромобилите, където батериите съставляват голяма част от общата стойност на автомобила, и където “страхът от разстояния” все още доминира дискусиите. Дали бихте имали такъв страх в Тесла, която може да мине близо 1000км с едно зареждане?

 

Източник

Снимки от Tour GroupTour Group/Rice UniversityFlickr / AndyArmstrong

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *