רק 2% מהרכבים מחושמלים עד כה, אך זה צפוי להגיע ל -30% בשנת 2030. המפתח לשיפור המסחור של כלי רכב חשמליים (EVs) הוא הגברת צפיפות האנרגיה הגרביטרית שלהם - נמדדת בשעות וואט לק"ג - באמצעות חומרים בטוחים יותר, הניתנים למחזור ושופעים. מתכת ליתיום באנודות נחשבת ל"גביע הקדוש "לשיפור צפיפות האנרגיה בסוללות EV בהשוואה לאפשרויות המכהנות כמו גרפיט ב -240 וואט / ק"ג במרוץ להגיע לצפיפות אנרגיה תחרותית יותר ב -500 וואט / ק"ג.
חוקרים מאוניברסיטת יוסטון לוקחים על עצמם את האתגר הזה עם עמיתיו באוניברסיטת רייס. הצוות מדגים שיפור כפול בצפיפות האנרגיה עבור סוללות ליתיום במצב אורגני על ידי שימוש בתהליך בעזרת ממס לשינוי מיקרו האלקטרודה.
אנו מפתחים חומרי קתודה מבוססי אורגנית בעלות נמוכה ושופעת כדור הארץ, ללא קובלט, לסוללת מצב מוצק, שלא תדרוש עוד מתכות מעבר דלות הנמצאות במכרות ", אמר הצוות. "מחקר זה הוא צעד קדימה בהגדלת צפיפות האנרגיה של סוללות EV באמצעות חלופה קיימא יותר זו.
כל סוללה כוללת אנודה, המכונה גם האלקטרודה השלילית, וקתודה, המכונה גם האלקטרודה החיובית, המופרדים בסוללה על ידי קרום נקבובי. יוני ליתיום זורמים דרך מוליך יוני - אלקטרוליט, המאפשר טעינה ופריקה של אלקטרונים המייצר חשמל, למשל, לרכב.
אלקטרוליטים הם בדרך כלל נוזליים, אך אין זה הכרחי - הם יכולים גם להיות מוצקים, מושג חדש יחסית. חידוש זה, בשילוב עם אנודת ליתיום-מתכת, יכולים למנוע קצר, לשפר את צפיפות האנרגיה ולאפשר טעינה מהירה יותר.
קתודות בדרך כלל קובעות את היכולת ואת מתח לאחר מכן הם החלק היקר ביותר בסוללות בגלל השימוש בחומרים דלים כמו קובלט - אמור להגיע לגירעון של 65,000 טון בשנת 2030. קתודות מבוססות קובלט משמשות כמעט אך ורק בסוללות מצב מוצק בשל המצוינות שלהן ביצועים; רק לאחרונה התגלו סוללות ליתיום מבוססות תרכובות אורגניות (OBEM-Li) כאלטרנטיבה שופעת ונקייה יותר שניתן למחזר ביתר קלות.
קיים חשש גדול סביב שרשרת האספקה של סוללות ליתיום-יון בארצות הברית. בעבודה זו החוקרים מראים את האפשרות לבנות סוללות ליתיום בצפיפות אנרגיה גבוהה על ידי החלפת קתודות מבוססות מתכת עם חומרים אורגניים המתקבלים מבית זיקוק נפט או מבית זיקוק ביולוגי, אשר לשניהם ארה"ב בעלת הקיבולת הגדולה ביותר בעולם.
קתודות מבוססות קובלט מייצרות אנרגיה ספציפית ברמת החומר, או מתח מוכפל בקיבולת, 800 וואט / ק"ג, וכך גם סוללות OBEM-Li, אשר הוכחו לראשונה על ידי הצוות בפרסומן הקודם, אך סוללות OBEM-Li קודמות הוגבלו ל שבר המסה הנמוך של חומרים פעילים עקב מיקרו מבנה קתודה שאינו אידיאלי. זה צפיפות האנרגיה הכוללת מוגבלת.
הצוות גילה כיצד לשפר את צפיפות האנרגיה ברמת האלקטרודה בסוללות OBEM-Li על ידי אופטימיזציה של מיקרו הקתודה לשיפור הובלת יונים בתוך הקתודה. לשם כך שונה המיקרו באמצעות ממס מוכר - אתנול. הקתודה האורגנית בה נעשה שימוש הייתה pyrene-4,5,9,10-tetraone או PTO.
קתודות מבוססות קובלט מועדפות לעיתים קרובות מכיוון שהמיקרו הוא באופן אידיאלי באופן טבעי, אך יצירת המיקרו האידיאלי בסוללת מצב מוצק אורגני היא מאתגרת יותר.
ברמת אלקטרודה, המיקרו בעזרת הממס הגדיל את צפיפות האנרגיה ל -300 Wh / kg בהשוואה למיקרו-מעורב היבש בקצת פחות מ- 180 Wh / kg על ידי שיפור קצב הניצול של חומר פעיל באופן משמעותי. בעבר ניתן היה להגדיל את מספר החומרים הפעילים אך אחוז הניצול היה עדיין נמוך, קרוב ל -50%.
במהלך עשר השנים האחרונות העלות של EV הסוללות ירדו לכמעט 10% מעלותן המקורית, מה שהופך אותן לבעיות מבחינה מסחרית. אז, הרבה יכול לקרות בעשור. מחקר זה מהווה שלב ניתן לציר בתהליך לקראת רכבים קיימא יותר וקרש קפיצה לעשור הבא של המחקר. בקצב זה, אולי באופן מילולי באותה מידה כמו באופמיה, העתיד נראה הרבה יותר ירוק בצד השני.