През последните години литиево-йонните батерии станаха по-добри в снабдяването с енергия на войниците на полето, но сегашното поколение батерии никога не достига най-високия си енергиен потенциал. Армейските изследователи са изключително фокусирани върху решаването на това предизвикателство и осигуряването на мощта, която войниците изискват.

батерии

В армейската изследователска лаборатория на командването на бойните способности на армията на САЩ, в сътрудничество с университета в Мериленд, учените може би са намерили решение.

"Ние сме много развълнувани да демонстрираме нов електролитен дизайн за литиево-йонни батерии, който подобрява капацитета на анода повече от пет пъти в сравнение с традиционните методи", каза армейският учен д-р Олег Бородин. „Това е следващата стъпка, необходима за преместване на тази технология по-близо до комерсиализацията.“

Екипът е проектирал самовъзстановяващ се защитен слой в батерията, който значително забавя процеса на разграждане на електролита и силициевия анод, което може да удължи живота на следващото поколение литиево-йонни батерии.

Техният последен дизайн на батерията увеличи броя на възможните цикли от десетки на над сто с малко влошаване. Списанието Nature Energy публикува своите констатации.

Ето как работи батерията. Батерията съхранява химическата енергия и я преобразува в електрическа енергия. Батериите имат три части, анод (-), катод (+) и електролит. Анодът е електрод, през който конвенционалният ток влиза в поляризирано електрическо устройство. Това контрастира с катод, през който токът излиза от електрическо устройство.

Електролитът предотвратява преминаването на електроните направо от анода към катода в батерията. За да създадете по-добри батерии, каза Бородин, можете да увеличите капацитета на анода и катода, но електролитът трябва да е съвместим между тях.

Литиево-йонните батерии обикновено използват графитни аноди, които имат капацитет от около 370 милиамперчаса (mAh) на грам. Но анодите, направени от силиций, могат да предложат около 1500 до 2800 mAh на грам или поне четири пъти по-голям капацитет.

Изследователите казват, че анодите от силициеви частици, за разлика от традиционните графитни аноди, осигуряват отлични алтернативи, но те също се разграждат много по-бързо. За разлика от графита, силицийът се разширява и свива по време на работа на батерията. Тъй като силициевите наночастици в анода стават по-големи, те често напукват защитния слой - наречен твърда електролитна интерфаза - който обгражда анода.

Твърдата електролитна интерфаза се образува естествено, когато анодните частици осъществяват директен контакт с електролита. Получената бариера предотвратява възникването на допълнителни реакции и отделя анода от електролита. Но когато този защитен слой се повреди, новооткритите анодни частици ще реагират непрекъснато с електролит, докато свърши.

"Други са се опитали да се справят с този проблем, като са проектирали защитен слой, който се разширява, когато силициевият анод стане", каза Бородин. "Въпреки това, тези методи все още причиняват известно разграждане на електролитите, което значително скъсява живота на анода и батерията."

Съвместният екип в Университета в Мериленд и Армейската изследователска лаборатория решиха да опитат нов подход. Вместо еластична бариера изследователите са проектирали твърда бариера, която не се разпада - дори когато силициевите наночастици се разширяват. Те разработиха литиево-йонна батерия с електролит, който образува твърда литиево-флуоридна твърда електролитна интерфаза или SEI, когато електролитът взаимодейства със силициевите анодни частици и значително намалява разграждането на електролитите.

„Успешно избегнахме повредата на SEI, като образувахме керамична SEI, която има нисък афинитет към литираните силициеви частици, така че литираният силиций да може да се премести на интерфейса по време на промяна на обема, без да уврежда SEI“, каза проф. Чуншенг Уанг, професор по химично и биомолекулярно инженерство в Университета на Мериленд. „Принципът на проектиране на електролитите е универсален за всички сплавни аноди и отваря нова възможност за разработване на високоенергийни батерии.“

Дизайнът на батерията, замислен от групата на Бородин и Уанг, демонстрира куломична [основна единица електрически заряд] ефективност от 99,9%, което означава, че само 0,1% от енергията се губи за разграждане на електролита всеки цикъл.

Това е значително подобрение спрямо конвенционалните конструкции за литиево-йонни батерии със силициеви аноди, които имат 99,5% ефективност. Макар на пръв поглед да е малък, Бородин каза, че тази разлика се изразява в живот на цикъла повече от пет пъти по-дълъг.

„Експериментите, проведени от групата на д-р Чуншенг Уанг от Университета в Мериленд, показаха, че този нов метод е успешен“, каза Бородин. "Въпреки това беше успешен не само за силиций, но и за алуминиеви и бисмутови аноди, което показва универсалността на принципа."

Новият дизайн дойде и с няколко други предимства. По-големият капацитет на батерията позволи на електрода да бъде значително по-тънък, което направи времето за зареждане много по-бързо и самата батерия много по-леко. В допълнение, изследователите установиха, че батерията може да се справи с по-ниски температури по-добре от обикновените батерии.

"За обикновените батерии по-ниските температури забавят дифузията и дори могат да замразят течностите вътре в батериите", каза Бородин. "Но тъй като нашият дизайн има много по-висок капацитет, по този начин йони трябва да разпръскват по-малки разстояния, което води до значително подобрена работа при ниски температури, което е важно за бойните бойци, работещи в студен климат."

Екипът благодари на програмата ARL Enterprise за многомащабно моделиране на материали за подкрепата по време на изследователските усилия до момента.

Според Бородин следващата стъпка в изследването е да се разработи по-голяма клетка с по-високо напрежение, използвайки този дизайн. В светлината на тази цел в момента екипът проучва напредъка в катодната страна на литиево-йонната батерия.