Tikimasi, kad guma pakeis tradicines medžiagas ir taps pagrindine kitos kartos kietojo kūno akumuliatorių medžiaga

2022-05-09

Kad elektrinės transporto priemonės (EV) taptų populiarios, joms reikia ekonomiškų, saugesnių ir ilgiau veikiančių akumuliatorių, kurie naudojimo metu nesprogtų ir nekenktų aplinkai. Džordžijos technologijos instituto mokslininkai galėjo rasti daug žadančią alternatyvą įprastoms ličio jonų baterijoms:gumos.

Dėl puikių mechaninių savybių elastomerai arba sintetinė guma plačiai naudojami plataus vartojimo gaminiuose ir pažangiose technologijose, tokiose kaip nešiojama elektronika ir minkšti robotai. Tyrėjai išsiaiškino, kad kai medžiaga yra suformuota į 3D struktūrą, ji veikia kaip greitkelis greitam ličio jonų transportavimui, pasižymintis puikiu mechaniniu atsparumu, leidžiančiu ilgiau krauti baterijas ir judėti toliau. Tyrimas buvo atliktas bendradarbiaujant su Korėjos pažangiuoju mokslo ir technologijų institutu ir paskelbtas žurnale Nature.

Įprastoje ličio jonų baterijoje jonus judina skystas elektrolitas. Tačiau tokios baterijos iš prigimties yra nestabilios: net menkiausia žala gali patekti į elektrolitus ir sukelti sprogimą ar gaisrą. Saugumo sumetimai privertė pramonę sutelkti dėmesį į kietojo kūno baterijas, kurios gali būti pagamintos naudojant neorganines keramines medžiagas arba organinius polimerus.
"Dauguma pramonės šakų yra orientuota į neorganinių kietųjų elektrolitų kūrimą. Tačiau juos sunku pagaminti, jie yra brangūs ir nekenksmingi aplinkai", - sako Seung Woo Lee, George'o W. Woodruffo mechanikos inžinerijos mokyklos docentas, kuris buvo tyrimų grupės narys. kuris nustatė, kad gumos pagrindu pagamintas organinis polimeras yra pranašesnis už kitas medžiagas. Kietieji polimeriniai elektrolitai ir toliau sulaukia didelio susidomėjimo dėl mažų gamybos sąnaudų, netoksiškų ir minkštų savybių. Tačiau įprastiniai polimeriniai elektrolitai neturi pakankamo joninio laidumo ir mechaninio stabilumo, kad užtikrintų patikimą kietojo kūno akumuliatorių veikimą.
Naujas 3D dizainas suteikia energijos tankio ir našumo šuolį
Naudojo Georgia Tech inžinieriaigumoselektrolitai sprendžiant įprastas problemas (lėtas ličio jonų pernešimas ir prastos mechaninės savybės). Svarbiausias proveržis buvo leisti medžiagoms sudaryti trimates (3D) tarpusavyje sujungtas plastikines kristalines fazes tvirtoje guminėje matricoje. Ši unikali struktūra užtikrina aukštą jonų laidumą, puikias mechanines savybes ir elektrocheminį stabilumą.
Guminis elektrolitas gali būti pagamintas žemoje temperatūroje, naudojant paprastą polimerizacijos procesą, kuris sukuria tvirtą ir lygią elektrodo paviršiaus sąsają. Šios unikalios guminio elektrolito savybės neleidžia augti ličio dendritams ir leidžia greičiau judėti jonams, todėl kietojo kūno akumuliatoriai gali patikimai veikti net kambario temperatūroje.
Guma, visur naudojamas dėl aukštų mechaninių savybių, leis mums pagaminti pigesnes, patikimesnes ir saugesnes baterijas. Didesnis jonų laidumas reiškia, kad vienu metu galite perkelti daugiau jonų, o padidinę šių baterijų savitąją energiją ir energijos tankį, galite padidinti elektromobilio atstumą.

Mokslininkai dabar ieško būdų, kaip pagerinti akumuliatoriaus veikimą, padidindami jo ciklo laiką ir sumažindami įkrovimo laiką dėl geresnio jonų laidumo. Iki šiol jų pastangos du kartus pagerino akumuliatoriaus našumą / ciklo laiką.

Šis darbas galėtų sustiprinti Gruzijos, kaip elektromobilių inovacijų centro, reputaciją. SK Innovation, pasaulinė energetikos ir naftos chemijos įmonė, finansuoja papildomus elektrolitų medžiagų tyrimus, kaip dalį savo nuolatinio bendradarbiavimo su institutu, siekdama sukurti naujos kartos kietojo kūno baterijas, kurios yra saugesnės ir sunaudoja daugiau energijos nei tradicinės ličio jonų baterijos. „SK Innovation“ neseniai paskelbė apie naujos elektromobilių akumuliatorių gamyklos statybą Komercijoje, Džordžijos valstijoje, kuri, kaip tikimasi, iki 2023 m. per metus pagamins 21,5 gigavatvalandžių ličio jonų akumuliatorių.
Visiškai kietojo kūno akumuliatoriai galėtų labai pagerinti elektromobilių ridą ir saugumą. Sparčiai augančios baterijų kompanijos, įskaitant SK Innovation, kietojo kūno baterijų komercializavimą vertina kaip žaidimų keitiklį elektroninėje rinkoje. Kyounghwan Choi, „SK Innovation“ naujos kartos baterijų tyrimų centro direktorius, sakė: „Dėl vykdomo projekto, bendradarbiaujant su SK Innovation ir profesoriumi Seung Woo Lee iš Džordžijos instituto, labai tikimasi greito kietojo kūno akumuliatorių pritaikymo ir komercializavimo. technologijos“.