На сегодняшний день электрифицировано только 2% транспортных средств, но, по прогнозам, к 30 году этот показатель достигнет 2030%. Ключом к повышению коммерциализации электромобилей (электромобилей) является повышение их гравиметрической плотности энергии, измеряемой в ватт-часах на килограмм, с использованием более безопасные, легко перерабатываемые материалы, которых много. Литий-металл в анодах считается «святым Граалем» для повышения плотности энергии в батареях электромобилей по сравнению с существующими вариантами, такими как графит при 240 Втч / кг, в гонке за более конкурентоспособную плотность энергии на уровне 500 Втч / кг.
Исследователи из Хьюстонского университета вместе с коллегами из Университета Райса решают эту задачу. Команда продемонстрировала двукратное улучшение плотности энергии для твердотельных литиевых батарей на органической основе за счет использования процесса с добавлением растворителей для изменения микроструктуры электродов.
«Мы разрабатываем недорогие катодные материалы на органической основе с большим содержанием земли и без содержания кобальта для твердотельных батарей, которые больше не будут нуждаться в редких переходных металлах, обнаруживаемых в шахтах», - сказали в команде. «Это исследование является шагом вперед в увеличении плотности энергии аккумуляторных батарей электромобилей с использованием этой более экологичной альтернативы.
Любая батарея включает в себя анод, также известный как отрицательный электрод, и катод, также известный как положительный электрод, которые разделены в батарее пористой мембраной. Ионы лития проходят через ионный проводник - электролит, который позволяет заряжать и разряжать электроны, генерирующие электричество, например, для транспортного средства.
Электролиты обычно жидкие, но в этом нет необходимости - они также могут быть твердыми, что является относительно новой концепцией. Эта новинка в сочетании с литий-металлическим анодом может предотвратить короткое замыкание, повысить плотность энергии и ускорить зарядку.
Катоды обычно определяют емкость и напряжение батареи и, следовательно, являются самой дорогой частью батарей из-за использования дефицитных материалов, таких как кобальт, дефицит которых в 65,000 году достигнет 2030 XNUMX тонн. Катоды на основе кобальта почти исключительно используются в твердотельных батареях из-за их отличного качества. представление; только недавно литиевые батареи на основе органических соединений (OBEM-Li) стали более распространенной и чистой альтернативой, которую легче перерабатывать.
Серьезную озабоченность вызывает цепочка поставок литий-ионных батарей в США. В этой работе исследователи показывают возможность создания литиевых батарей с высокой плотностью энергии путем замены катодов на основе переходных металлов органическими материалами, полученными либо на нефтеперерабатывающем заводе, либо на биоперерабатывающем заводе, оба из которых имеют самые большие мощности в мире.
Катоды на основе кобальта генерируют 800 Втч / кг удельной энергии на уровне материала или напряжения, умноженного на емкость, как и батареи OBEM-Li, что было впервые продемонстрировано командой в их более ранней публикации, но предыдущие батареи OBEM-Li были ограничены низкая массовая доля активных материалов из-за неидеальной микроструктуры катода. Это ограничило общую плотность энергии.
Команда обнаружила, как улучшить плотность энергии на уровне электродов в батареях OBEM-Li за счет оптимизации микроструктуры катода для улучшения переноса ионов внутри катода. Для этого микроструктура была изменена с помощью знакомого растворителя - этанола. В качестве органического катода использовали пирен-4,5,9,10-тетраон или PTO.
Катоды на основе кобальта часто отдают предпочтение, потому что микроструктура по своей природе идеальна, но формирование идеальной микроструктуры в твердотельной батарее на органической основе является более сложной задачей.
На уровне электродов микроструктура с добавлением растворителя увеличила удельную энергию до 300 Втч / кг по сравнению с микроструктурой с сухим смешиванием при чуть менее 180 Втч / кг за счет значительного улучшения степени использования активного материала. Раньше количество активных материалов можно было увеличить, но процент использования все еще был низким, около 50%.
За последние десять лет стоимость EV стоимость батарей снизилась почти до 10% от их первоначальной стоимости, что сделало их коммерчески жизнеспособными. Так что за десятилетие может произойти многое. Это исследование является поворотным шагом в процессе создания более экологичных электромобилей и трамплином для исследований в следующем десятилетии. При такой скорости, возможно, буквально и эвфемистически, с другой стороны, будущее выглядит гораздо более зеленым.