วิวัฒนาการล่าสุดของแบตเตอรี่ลิเธียมกำมะถัน

ปลายเดือนกรกฏาคม 2551 เครื่องบินสุริยจักรวาลของอังกฤษบินเป็นเวลาสามวันที่ระดับความสูงสร้างสถิติการบินอย่างไม่เป็นทางการขึ้นเรื่อย ๆ บางทีอาจเป็นที่รู้กันดีว่าแบตเตอรี่ลิเธียมกำมะถัน (Li-S) กลายเป็นความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในส่วนประกอบของพวกเขา หนึ่งมันอำนาจอากาศยานในเวลากลางคืนและมีประสิทธิภาพเป็นที่ไม่มีใครเทียบได้ที่ด้านบนของแบตเตอรี่

เครื่องบินพลังงานแสงอาทิตย์ Zephyr S (ภาพจากเครือข่าย)

สิบปีต่อมาโลกดูเหมือนจะรอการจำหน่ายแบตเตอรี่ Li-S ในเชิงพาณิชย์ความก้าวหน้าของนักวิจัยจาก Drexel University ได้ขจัดอุปสรรคใหญ่ที่ขัดขวางการอยู่รอด

บริษัท เทคโนโลยีได้เรียนรู้ความจริงนี้ว่าการพัฒนาของคอมพิวเตอร์โน้ตบุ๊ค, โทรศัพท์มือถือหรือรถยนต์ไฟฟ้าขึ้นอยู่กับปรับปรุงอย่างต่อเนื่องในด้านเทคโนโลยีประสิทธิภาพของแบตเตอรี่เท่านั้นที่สามารถผลักไปข้างหน้าในกรณีของแบตเตอรี่ที่ได้รับอนุญาต, แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน - ขณะนี้ถือว่า แบตเตอรี่ที่ดีที่สุดในตลาด - จะถึงขีด จำกัด ของการปรับปรุง

ในฐานะที่เป็นประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ใกล้กับเสถียรภาพบาง บริษัท กำลังพยายามที่จะบีบผ่านการลดขนาดของบางส่วนของพลังงานที่เก็บไว้ที่ไม่ได้มีส่วนร่วมกับชิ้นส่วนภายในที่มีมุมมองที่จะเป็นครั้งสุดท้ายอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลโวลต์ยัด. การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเหล่านี้จะนำมาซึ่งผลข้างเคียงบางโชคร้าย ตัวอย่างเช่นชุดของการระเบิดในปี 2016 ซัมซุงโทรศัพท์มือถือปรากฏ

หลังจากการระเบิดของแบตเตอรี่ซัมซุงโทรศัพท์มือถือ (ภาพจากเครือข่ายน)

นักวิจัยและ บริษัท ด้านเทคโนโลยีกำลังตรวจสอบว่าแบตเตอรี่ลิเธียมกำมะถัน (Li-S) จะแทนที่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอย่างไรเพราะปฏิกิริยาทางเคมีใหม่นี้ทำให้พลังงานมากขึ้นในแบตเตอรี่เครื่องเดียว นี่เรียกว่าความหนาแน่นของพลังงานในการพัฒนาแบตเตอรี่การปรับปรุงนี้ทำให้แบตเตอรีลิเธียมไอออนมีกำลังการผลิตแบตเตอรี่ประมาณ 5-10 เท่าซึ่งเทียบเท่ากับแบตเตอรี่ที่ใช้งานได้ยาวนานขึ้นระหว่างการชาร์จนี้และการชาร์จครั้งถัดไป

ปัญหาคือแบตเตอรี่ Li-S ไม่สามารถรักษาความสามารถที่เหนือกว่าได้หลังจากที่มีการเรียกเก็บเงินเพียงไม่กี่ชิ้นเท่านั้นปรากฎว่ากำมะถันเป็นส่วนประกอบสำคัญในการเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานจะอยู่ในรูปแบบของโพลีซัลไฟด์จากขั้วไฟฟ้า การโยกย้ายส่งผลให้องค์ประกอบสำคัญนี้สูญเสียไปและมีประสิทธิภาพลดลงในระหว่างการชาร์ตแบตเตอรี่

นักวิทยาศาสตร์พยายามที่จะรักษาเสถียรภาพของปฏิกิริยาโพลีซัลไฟด์ภายในแบตเตอรี่ Li-S เป็นเวลาหลายปี แต่ความพยายามส่วนใหญ่มีภาวะแทรกซ้อนอื่น ๆ เช่นการเพิ่มน้ำหนักให้กับแบตเตอรี่โดยใช้วัสดุที่มีราคาแพงหรือเพิ่มขั้นตอนการประมวลผลที่ซับซ้อนหลายขั้นตอน

แต่ตอนนี้วิธีการใหม่ได้เกิดการศึกษาโดย Drexels โรงเรียนวิศวกรรมในฉบับล่าสุดของวารสารเคมีประยุกต์และการเชื่อมต่อของสมาคมเคมีอเมริกันมีชื่อว่าไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO) Nanofibers เป็น Li รายงานเกี่ยวกับสารละลายโพลิซัลไฟด์ในแบตเตอรี่ -S: หลักฐานการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างกรดลูอิส - ลูกรัมชี้ให้เห็นว่าสามารถเก็บโพลีซัลไฟด์ได้ในสถานที่รักษาความคงทนที่น่าประทับใจของเซลล์ดังกล่าวในขณะที่ลดน้ำหนักโดยรวมและผลิตได้ เวลาที่กำหนด

เราได้สร้างขึ้นแล้ว แผ่นนาโนที่มีรูพรุนไททาเนียมมีรูพรุน ในฐานะที่เป็นวัสดุขั้วลบในแบตเตอรี่ลิเธียมกำมะถันดร. Vibha Kalra กล่าวว่าเขาเป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ที่โรงเรียนวิศวกรรมนักวิจัยหลัก 'นี่คือการพัฒนาที่สำคัญเพราะเราพบแคโทดไทเทเนียมกำมะถันของเรามีการนำสูง ความสามารถในการผสมพอลิซัลไฟด์ผ่านปฏิสัมพันธ์ทางเคมีที่แข็งแกร่งซึ่งหมายความว่าสามารถเพิ่มกำลังการผลิตเฉพาะของแบตเตอรี่ขณะที่รักษาประสิทธิภาพที่น่าประทับใจไว้ได้นอกจากนี้เรายังสามารถพิสูจน์ได้ว่าสามารถขจัดคราบสกปรกออกได้อย่างสมบูรณ์ เครื่องใช้ไฟฟ้าซึ่งคิดเป็นสัดส่วน 30-50% ของน้ำหนักของอิเลคโทรด - วิธีของเราใช้เวลาเพียงไม่กี่วินาทีในการสร้างแคโทดซัลเฟตมาตรฐานปัจจุบันอาจใช้เวลาถึงครึ่งวัน '

ผลของพวกเขาแสดงให้เห็นว่าเส้นใยนาโนพรมรังที่คล้ายกันในระดับจุลภาคเป็นที่ยอดเยี่ยมแคโทดแพลตฟอร์มกำมะถันเท่าที่จะสามารถดึงดูดการจับภาพและ polysulfides แบตเตอรี่ผลิต. รักษา polysulfide ในโครงสร้างแคโทดป้องกันรถรับส่ง ปรากฏการณ์นี้คือการย่อยสลายเมื่อพวกเขาถูกกลืนหายไปในเซลล์ขั้วลบและขั้วบวกแยกออกจากสารละลายอิเล็กโทรไลเกิดขึ้น

Kalra ตามรายงานการออกแบบแคโทดนี้ไม่เพียง แต่สามารถช่วยในการรักษา Li-S ความหนาแน่นของพลังงานแบตเตอรี่ แต่ยังเพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ได้โดยไม่ต้องเพิ่มน้ำหนักของวัสดุและก่อให้เกิดค่าใช้จ่ายที่เพิ่มขึ้นของการผลิต

ทีมงานได้ทำการศึกษาในเชิงลึกเกี่ยวกับเรื่องนี้รวมทั้งกลไกการเกิดปฏิกิริยาและการสร้างโพลีซัลไฟด์เพื่อให้เข้าใจถึงวิธีการใช้อุปกรณ์ของเจ้าพ่อไฟฟ้าได้ดียิ่งขึ้น

การศึกษานี้แสดงให้เห็นว่ามีปฏิกิริยาระหว่างลูเทียออกไซด์กับกำมะถันในแคโทดซึ่งเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้ประสิทธิภาพการทำงานของแบตเตอรี่ลดลงหนึ่งในผู้เขียน Kalras Lab ดร. Arvinder Singh นักวิจัยด้านดุษฏีบัณฑิตกล่าว

ซึ่งหมายความว่าการออกแบบแคโทดของพวกเขาสามารถช่วยเซลล์ Li-S รักษาความหนาแน่นของพลังงานของพวกเขาและไม่มีวัสดุเพิ่มเติมเพื่อเพิ่มน้ำหนักและต้นทุนการผลิต Kalra การวิจัยก่อนหน้านี้ของ Kalras เกี่ยวกับขั้วไฟฟ้า nanofiber แสดงให้เห็นว่าพวกเขามีข้อดีหลายประการ ชุดแบตเตอรี่ลัดวงจรพวกเขามีพื้นที่ผิวที่ใหญ่กว่าขั้วไฟฟ้ากระแสไฟฟ้าซึ่งหมายความว่าพวกเขาสามารถรองรับการขยายตัวระหว่างการชาร์จซึ่งจะเพิ่มความสามารถในการจัดเก็บแบตเตอรี่โดยการเติมเจลอิเลคโตรไลท์จะขจัดส่วนประกอบไวไฟในอุปกรณ์ ลดความไวต่อการรั่วไหลการระเบิดและการระเบิด

พวกเขาถูกสร้างขึ้นโดยกระบวนการ electrospinning ที่ดูเหมือนว่าการทำ marshmallows ซึ่งหมายความว่าพวกเขามีข้อดีกว่าขั้วไฟฟ้าที่ใช้ผงมาตรฐานซึ่งต้องการฉนวนกันความร้อนและกาวเคมีที่สามารถลดประสิทธิภาพการทำงานในระหว่างการผลิต .

สร้าง Electrospinning กระบวนการ ดูเหมือนว่าการทำ marshmallows (ภาพจากเว็บ)

เพื่อผลิตแบตเตอรี่แคโทดแบบสแตนด์อะโลนเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ Kalras Labs ได้พัฒนาเทคโนโลยีการสะสมตัวของกำมะถันอย่างรวดเร็วซึ่งจะเพิ่มกำมะถันลงในพื้นผิวภายในเวลาเพียงห้าวินาที

'การประยุกต์ใช้กำมะถันเหลวเสื่อเส้นใยนาโน, ความดันเล็กน้อยที่ 140 องศาเซลเซียสสภาพแวดล้อม - โดยไม่ต้องใช้เวลานานในการตัดเฉือนหรือสารเคมีที่เป็นพิษผสมขณะที่การปรับปรุงประสิทธิภาพของแคโทดสามารถรักษาเป็นเวลานานโดยใช้ Li- ของเรา S เพื่อให้โครงสร้างอิเล็กโทรดที่ถูกต้อง 'Kalra กล่าวว่า' ในวงจรแบตเตอรี่ลดกำลังการผลิตสีซีดจางซึ่งเป็นอุปสรรคสำคัญต่อการค้าของแบตเตอรี่ Li-S ของ.

'แสดงให้เห็นว่าการวิจัยของเราอย่างต่อเนื่องและกำลังการผลิตที่มีประสิทธิภาพของขั้วไฟฟ้าเหล่านี้เป็นครั้งที่สี่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน. และวิธีการใหม่ต้นทุนต่ำของเราสามารถสร้างแคโทดซัลไฟด์ภายในไม่กี่วินาทีซึ่งช่วยขจัดอุปสรรคสำคัญต่อการผลิต.

ไม่ว่าจะเป็นแล็ปท็อป, โทรศัพท์มือถือหรือการพัฒนารถยนต์ไฟฟ้าประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ขึ้นอยู่กับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องของการผลักดันไปข้างหน้าเทคโนโลยีที่ได้รับอนุญาตเท่านั้นในกรณีของแบตเตอรี่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน - ก็ถือว่าตอนนี้แบตเตอรี่ที่ดีที่สุดในตลาด - ถูก บรรลุวงเงินที่เพิ่มขึ้น (ภาพจากเครือข่าย)

ตั้งแต่ปี 2008 Zephyr-6s พลังงานแสงอาทิตย์เครื่องบินบันทึกการบินหลาย บริษัท มีการลงทุนในการพัฒนาแบตเตอรี่ Li-S ต้องการที่จะเพิ่มแบตเตอรี่ของยานพาหนะไฟฟ้าต่างๆโทรศัพท์มือถือนานในระหว่างค่าใช้จ่ายและยังช่วยให้การใช้พลังงานทั้งหมด เครือข่ายเพื่อรองรับลมไม่สม่ำเสมอและพลังงานแสงอาทิตย์. งาน Kalras ในขณะนี้สามารถให้วิธีที่จะทำลายชุดของอุปสรรคต่อการพัฒนาของเทคโนโลยีแบตเตอรี่นี้

ทีมงานจะพัฒนาแคโทด Li-S อย่างต่อเนื่องโดยมีเป้าหมายเพื่อปรับปรุงอายุการใช้งานของวงจรลดการเกิดโพสมเนียมไซด์และลดค่าใช้จ่าย