Ερευνητές στο Χονγκ Κονγκ ανέπτυξαν ένα νέο υλικό που μπορεί να σταματά τους δενδρίτες και να αυξάνει τη διάρκεια ζωής του κύκλου (interestingengineering.com)
Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας του Χονγκ Κονγκ ανέπτυξαν ένα νέο υλικό που θα μπορούσε να λύσει ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα στις μπαταρίες λιθίου-μετάλλου.
Το interestingengineering.com, αναφέρει ότι η ομάδα δημιούργησε ένα μονοκρυσταλλικό τρισδιάστατο ομοιοπολικό οργανικό πλαίσιο βορίου που λειτουργεί ως ηλεκτρολύτης στερεάς κατάστασης, βελτιώνοντας τόσο την ασφάλεια όσο και την απόδοση.
Οι μπαταρίες λιθίου-μετάλλου θεωρούνται το επόμενο βήμα πέρα από τα τρέχοντα συστήματα ιόντων λιθίου, ειδικά για ηλεκτρικά οχήματα και αποθήκευση ενέργειας μεγάλης κλίμακας.
Αλλά έχουν αντιμετωπίσει προβλήματα ασφάλειας, κυρίως λόγω του σχηματισμού δενδριτών λιθίου και ασταθών διεπαφών που οδηγούν σε υποβάθμιση και βραχυκυκλώματα.
Τα ομοιοπολικά οργανικά πλαίσια έχουν διερευνηθεί ως πιθανά υλικά ηλεκτρολυτών λόγω των πορωδών και σταθερών δομών τους.
Μέθοδος πτώσης αποτελεσματικότητας της κίνησης των ιόντων
Ωστόσο, οι περισσότερες υπάρχουσες εκδόσεις είναι πολυκρυσταλλικές, γεγονός που δημιουργεί αντίσταση στα όρια των κόκκων και περιορίζει την αποτελεσματικότητα της κίνησης των ιόντων μέσα από το υλικό.
Για να ξεπεραστεί αυτό, η ομάδα χρησιμοποίησε το COF-303 ως πρότυπο για να κατασκευάσει μια μονοκρυσταλλική δομή με ιδιαίτερα διατεταγμένα ιοντικά κανάλια.
Αυτός ο σχεδιασμός μειώνει την αντίσταση μεταξύ των κόκκων και επιτρέπει πιο ομοιόμορφη εναπόθεση λιθίου, βοηθώντας στην καταστολή του σχηματισμού δενδριτών.
Οι διατεταγμένες οδοί ιόντων του υλικού επιτρέπουν επίσης πιο συνεπή ροή ιόντων στον ηλεκτρολύτη, μειώνοντας τα θερμά σημεία και τις ανομοιόμορφες αντιδράσεις. Αυτό θα μπορούσε να βοηθήσει στη βελτίωση της διάρκειας ζωής της μπαταρίας σε πραγματικές συνθήκες, όπου οι επαναλαμβανόμενοι κύκλοι φόρτισης συχνά οδηγούν σε απώλεια απόδοσης και κινδύνους για την ασφάλεια.
Σπάζοντας το φράγμα ανάπτυξης δενδριτών
Το νέο υλικό προσφέρει ισχυρή ηλεκτροχημική απόδοση σε διάφορες βασικές μετρήσεις. Επιτυγχάνει ιοντική αγωγιμότητα 8,1 mS cm−1 σε θερμοκρασία δωματίου και αριθμό μεταφοράς Li+ 0,98, επιτρέποντας γρήγορη και επιλεκτική μεταφορά ιόντων εντός της μπαταρίας.
Το σύστημα παρουσιάζει επίσης βελτιωμένη σταθερότητα. Οι δοκιμές κατέδειξαν σταθερή εναπόθεση και απογύμνωση λιθίου για περισσότερες από 2.000 ώρες σε συμμετρικά στοιχεία, υποδεικνύοντας μακροπρόθεσμη λειτουργική αξιοπιστία και μειωμένους κινδύνους για την ασφάλεια.
Σε διαμορφώσεις πλήρους κυψέλης που χρησιμοποιούν καθόδους LiFePO4, οι μπαταρίες διατήρησαν 91,8% διατήρηση χωρητικότητας σε 600 κύκλους, με απόδοση Κουλομπικής τάξεως 99,98%.
Οι κυψέλες παρείχαν αρχική χωρητικότητα 147 mAh g−1, υποδεικνύοντας συνεπή απόδοση σε παρατεταμένη χρήση.
Η εργασία υπογραμμίζει πώς ο δομικός έλεγχος σε επίπεδο υλικού μπορεί να επηρεάσει άμεσα την απόδοση της μπαταρίας.
Εξαλείψοντας την αταξία που παρατηρείται στα πολυκρυσταλλικά πλαίσια, οι ερευνητές μπόρεσαν να βελτιώσουν τόσο την αποδοτικότητα όσο και την ασφάλεια στα συστήματα λιθίου-μετάλλου.
Προς ασφαλέστερη αποθήκευση ενέργειας
«Η έρευνά μας υπογραμμίζει την πολλά υποσχόμενη βιωσιμότητα των μονοκρυσταλλικών τρισδιάστατων B-COF ως ηλεκτρολυτών οιονεί στερεάς κατάστασης.
Εξαλείψοντας τις δομικές αταξία που εντοπίζονται στα πολυκρυσταλλικά υλικά, έχουμε κάνει ένα σημαντικό βήμα προς την υλοποίηση λύσεων αποθήκευσης ενέργειας υψηλής απόδοσης και ασφάλειας που είναι κρίσιμες για ένα πιο πράσινο μέλλον», δήλωσε ο καθηγητής Yoonseob Kim.
Η έρευνα διεξήχθη σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο Shanghai Jiao Tong, αντανακλώντας τις αυξανόμενες διεθνείς προσπάθειες για την προώθηση τεχνολογιών μπαταριών επόμενης γενιάς.
Τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι οι μονοκρυσταλλικές COF θα μπορούσαν να διαδραματίσουν βασικό ρόλο στην ενεργοποίηση πρακτικών μπαταριών λιθίου-μετάλλου στερεάς κατάστασης.
Εάν η προσέγγιση κλιμακωθεί με επιτυχία, θα μπορούσε να βοηθήσει στην αντιμετώπιση μακροχρόνιων περιορισμών στο σχεδιασμό μπαταριών, ιδιαίτερα σε εφαρμογές που απαιτούν τόσο υψηλή ενεργειακή πυκνότητα όσο και μακροπρόθεσμη σταθερότητα.
Αυτό περιλαμβάνει τα ηλεκτρικά οχήματα, την αποθήκευση ενέργειας στο δίκτυο και άλλα ενεργοβόρα συστήματα όπου η ασφάλεια παραμένει κρίσιμο μέλημα.
www.worldenergynews.gr
