В конце июля 2008 года британский солнечный самолет пролетел в течение трех дней на большой высоте, создав неофициальный рекорд выносливости полета. Возможно, мало что известно, литиево-серые (Li-S) батареи стали самым большим технологическим прогрессом в своих компонентах. Во-первых, он заряжает самолет ночью, и его эффективность не имеет себе равных даже в верхней части батареи.
Солнечные самолеты Zephyr S (изображение из сети) Десять лет спустя мир, похоже, ждет коммерциализации батарей Li-S. Прорыв исследователей из Университета Дрекселя только устранил огромные препятствия, которые мешают его выживанию.
Технологические компании узнали о том, что развитие ноутбуков, мобильных телефонов и электромобилей зависит от постоянного повышения производительности батареи. Технология может быть выдвинута только тогда, когда ее позволяет батарея. В настоящее время используются литий-ионные батареи Является лучшей батареей на рынке - достигает предела улучшения.
Поскольку производительность батареи приближается к стабильности, некоторые компании пытаются уменьшить размер внутренних компонентов, которые не способствуют накоплению энергии, сжимая, чтобы подключить последний вольт к запоминающему устройству. Эти структурные изменения могут иметь некоторые неблагоприятные побочные эффекты. Например, серия взрывов произошла в мобильных телефонах Samsung в 2016 году.
Мобильный телефон Samsung после взрыва аккумулятора (изображение из сети) Исследователи и технологические компании исследуют, как литий-серные батареи (Li-S) в конечном итоге заменят литий-ионные батареи, потому что эта новая химическая реакция теоретически добавляет больше энергии в одну батарею - меру Это называется плотностью энергии при разработке батареи. Это улучшение в 5-10 раз превышает емкость литий-ионной батареи, что эквивалентно более длительному времени работы батареи между этим зарядом и следующей зарядкой.
Проблема заключается в том, что батарея Li-S не может продолжать поддерживать свою превосходную мощность после того, как были завершены первые несколько зарядов. Оказывается, что сера в качестве ключевого компонента в увеличении плотности энергии будет находиться в форме промежуточного продукта «полисульфида» от электрода. Миграция, приводящая к потере этого ключевого компонента и ухудшению производительности во время перезарядки.
Ученые пытались стабилизировать эти реакции полисульфида внутри Li-S батарей в течение многих лет, но большинство попыток имеют другие осложнения, такие как добавление веса к батареям, требующие дорогостоящих материалов или добавление нескольких сложных этапов обработки. Но теперь появился новый метод. Исследование Школы инженеров Drexels в последнем выпуске «Журнала прикладной химии и интерфейсов Американского химического общества» названо «Нанофабрики диоксида титана (TiO)», как Li Отчет о фиксации полисульфида в батареях -S: Доказательства взаимодействия кислоты с кислотой Льюиса, предполагая, что он может удерживать полисульфиды на месте, сохраняя впечатляющую выносливость таких клеток, уменьшая общий вес и продуцируя их Требуется время.
Мы создали Свободный пористый оксидный нановолокно из оксида титана В качестве материала катода в литиево-серых батареях доктор Вибха Калра сказал: «Он является доцентом в Инженерном училище, главным автором исследования». Это серьезное событие, потому что наш титано-серый катод обладает высокой проводимостью. , способный сочетать полисульфид посредством сильных химических взаимодействий, что означает, что он может повысить удельную емкость батареи при сохранении ее впечатляющей производительности. Мы также можем доказать, что это может полностью устранить связующее и установить на стороне катода. Электроприборы, на которые приходится 30-50% веса электрода, - наш метод занимает всего несколько секунд, чтобы образовать серный катод. Текущий стандарт может занять до полудня ».
Их результаты показывают, что нановолоконный мат похож на гнездо на микроскопическом уровне и является прекрасной платформой из серого катода, поскольку он может привлекать и захватывать полисульфид, создаваемый батареей. Хранение полисульфида в катодной структуре предотвращает челнок. Это ухудшение характеристик, которое происходит, когда они растворяются в растворе электролита, в котором катод и анод отделяются от батареи.
По словам Калры, этот катодный дизайн не только помогает батарее Li-S поддерживать свою плотность энергии, но и достигает этого, не добавляя дополнительных материалов, которые приводят к увеличению веса и производственных затрат.
Для достижения этих двойственных целей команда провела углубленное изучение этого вопроса, в том числе механизмов реакции и образования полисульфида, чтобы лучше понять, как помогают электрододержатели.
Это исследование показывает, что существует сильное взаимодействие кислоты и кислоты Льюиса между оксидом титана и серой в катоде, что предотвращает попадание полисульфида в электролит, что является основной причиной снижения производительности батареи. Один из авторов, Kalras Lab Доктор Арвиндер Сингх, докторант, сказал.
Это означает, что их катодная конструкция может помочь Li-S-ячейкам поддерживать свою плотность энергии - и без дополнительных материалов для увеличения веса и производственных затрат Kalra. Предыдущие исследования Kalras по нановолоконным электродам показывают, что они имеют множество преимуществ Батарейные блоки перегрузки по току имеют большую площадь поверхности, чем текущий электрод, что означает, что они могут поддерживать расширение во время зарядки, что увеличивает емкость аккумулятора. Заполняя гель электролита, они устраняют воспламеняющиеся компоненты в устройстве. , сводя к минимуму их чувствительность к утечкам, пожарам и взрывам.
Они создаются процессом электроспиннинга, который выглядит как изготовление зефира, что означает, что они имеют преимущество перед стандартными электродами на основе порошка, которые требуют изоляционных и адгезивных химикатов, которые могут ухудшить производительность во время производства. ,
Создание электросдвига процесс , похоже, делает зефир. (Изображение из Интернета) Для создания бесконтактной автономной катодной платформы для повышения производительности батареи Kalras Labs разработала технологию быстрого осаждения серы, которая добавляет серу к ее субстрату всего за пять секунд.
«Эта программа плавит серу в нановолоконные маты в условиях низкого давления 140 градусов Цельсия - без длительной обработки или использования смешанных токсичных химических веществ, одновременно повышая эффективность катода после длительного использования. Электрод S обеспечивает правильную структуру, - сказал Калра, - сводя к минимуму разрушение емкости во время циклирования батареи, что является одним из основных препятствий для коммерциализации батарей Li-S ».
«Наши исследования показывают, что непрерывная эффективная мощность этих электродов в четыре раза выше, чем у современных литий-ионных батарей. Наш новый недорогой метод может производить сульфидный катод за считанные секунды, что устраняет основные производственные препятствия».
Является ли это разработкой ноутбуков, мобильных телефонов или электромобилей, это зависит от постоянного повышения производительности батареи. Технология может быть выдвинута только тогда, когда позволяет батарея, литий-ионные батареи - в настоящее время считаются лучшей батареей на рынке - Достичь пределов улучшения. (Изображение из Интернета)
Со времени рекордного полета солнечных батареек Zephyr-6s в 2008 году многие компании инвестировали в разработку батарей Li-S, надеясь увеличить срок службы различных электромобилей, что позволяет мобильным устройствам прослужить дольше в течение интервала зарядки и даже помочь всему источнику энергии. Сеть адаптируется к прерывистой природе ветра и солнечной энергии. Работа Kalras теперь обеспечивает путь развития этой технологии батареи, которая может прорваться через ряд препятствий.
Группа продолжит развивать свой катод Li-S с целью дальнейшего улучшения цикла жизни, сокращения образования полисульфида и сокращения затрат.
