Ερευνητές ανέπτυξαν έναν νέο ηλεκτρολύτη στερεάς κατάστασης πολυμερούς που θα μπορούσε να βοηθήσει τις μπαταρίες λιθίου-μετάλλου να λειτουργούν σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών, διατηρώντας παράλληλα την απόδοση υψηλής τάσης.
Οι προκλήσεις των μπαταριών στερεάς κατάστασης
Η ομάδα του South China Normal University σχεδίασε έναν ηλεκτρολύτη διασταυρωμένου πολυ(τετραϋδροφουρανίου) ή πολυ(THF) που αντιμετωπίζει αρκετές μακροχρόνιες προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης. Αυτές οι μπαταρίες θεωρούνται μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση στα συμβατικά συστήματα ιόντων λιθίου, επειδή αντικαθιστούν τους εύφλεκτους υγρούς ηλεκτρολύτες με ασφαλέστερα στερεά υλικά.
Οι περισσότεροι ηλεκτρολύτες πολυμερούς στερεάς κατάστασης υποφέρουν από κακή ιοντική αγωγιμότητα, ασθενή επαφή με τα ηλεκτρόδια της μπαταρίας και περιορισμένη σταθερότητα σε υψηλές τάσεις. Οι υπάρχοντες ηλεκτρολύτες πολυαιθέρα πολυμερισμένου in situ τείνουν επίσης να υποβαθμίζονται όταν συνδυάζονται με καθόδους υψηλής τάσης, μειώνοντας τη διάρκεια ζωής και την απόδοση της μπαταρίας.
Για να ξεπεράσουν αυτούς τους περιορισμούς, οι ερευνητές ανέπτυξαν έναν ηλεκτρολύτη που σχηματίζεται απευθείας μέσα στην μπαταρία μέσω μιας διαδικασίας πολυμερισμού in situ. Επειδή το υλικό ξεκινά ως υγρός πρόδρομος πριν στερεοποιηθεί, μπορεί να επιτύχει στενή επαφή με τα ηλεκτρόδια της μπαταρίας, ενώ παραμένει συμβατό με τις τρέχουσες μεθόδους παραγωγής μπαταριών ιόντων λιθίου.
Επίλυση τριών βασικών εμποδίων
Οι ερευνητές αντιμετώπισαν τρία σημαντικά προβλήματα ταυτόχρονα: τη σταθερότητα τάσης, τη μεταφορά ιόντων και την προστασία ηλεκτροδίων. Πρώτον, αντικατέστησαν το συνήθως χρησιμοποιούμενο μονομερές 1,3-διοξολάνιο με τετραϋδροφουράνιο. Σύμφωνα με την ομάδα, η αλλαγή βελτίωσε τη σταθερότητα στην οξείδωση, επιτρέποντας στον ηλεκτρολύτη να αντέχει σε τάσεις έως και 4,9 βολτ.
Στη συνέχεια, εισήγαγαν τον διγλυκιδυλαιθέρα της αιθυλενογλυκόλης ως παράγοντα διασύνδεσης. Η προκύπτουσα τρισδιάστατη δομή δημιούργησε πρόσθετες οδούς για την κίνηση ιόντων λιθίου, ενισχύοντας την ιοντική αγωγιμότητα στα 3,3 mS/cm σε θερμοκρασία δωματίου.
Το τρίτο συστατικό ήταν το διφθορο(οξαλατο)βορικό λίθιο ή LiDFOB. Πέρα από το ότι χρησιμεύει ως άλας λιθίου, το υλικό ξεκίνησε επίσης τον πολυμερισμό και βοήθησε στο σχηματισμό μιας προστατευτικής ενδιάμεσης φάσης και στα δύο ηλεκτρόδια.
Η ενδιάμεση φάση περιέχει φθοριούχο λίθιο και ενώσεις βορίου-οξυγόνου-φθορίου που μειώνουν τις ανεπιθύμητες παράπλευρες αντιδράσεις και βοηθούν στη σταθεροποίηση της απόδοσης της μπαταρίας κατά τη διάρκεια επαναλαμβανόμενων κύκλων φόρτισης και εκφόρτισης.
«Συνειδητοποιήσαμε ότι ο απλός σχεδιασμός ενός πολυμερούς με υψηλή σταθερότητα οξείδωσης συνήθως σημαίνει θυσία της ιοντικής αγωγιμότητας», ανέφεραν οι συγγραφείς.
«Γι' αυτό εισαγάγαμε τον διασταυρούμενο σύνδεσμο—για να προσθέσουμε ξανά τις θέσεις αναπήδησης για τα ιόντα λιθίου χωρίς να διακυβεύεται η σταθερότητα της τάσης».
Κατασκευασμένο για ακραίες συνθήκες
Ο ηλεκτρολύτης δοκιμάστηκε με μπαταρίες λιθίου μετάλλου χρησιμοποιώντας καθόδους NCM811 πλούσιες σε νικέλιο και οξείδιο λιθίου-κοβαλτίου. Οι μπαταρίες παρέμειναν σταθερές σε υψηλή τάση αποκοπής 4,5 βολτ σε εκατοντάδες κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης με ελάχιστη απώλεια χωρητικότητας.
Οι ερευνητές ανέφεραν επίσης λειτουργία μπαταρίας μεταξύ -40°C και 55°C, ένα εύρος που θα μπορούσε να είναι πολύτιμο για ηλεκτρικά οχήματα, ηλεκτρικά αεροσκάφη κάθετης απογείωσης και προσγείωσης και συστήματα αποθήκευσης ενέργειας σε κλίμακα δικτύου.
«Η πραγματική έκπληξη προήλθε από το LiDFOB: δεν ξεκινά απλώς τον πολυμερισμό, αλλά δημιουργεί μια προστατευτική θωράκιση και στα δύο ηλεκτρόδια», ανέφεραν οι συγγραφείς.
«Αυτή η συνδυασμένη στρατηγική τελικά σπάει το συμβιβασμό μεταξύ σταθερότητας και αγωγιμότητας».
Τα πλεονεκτήματα της νέας μεθόδου
Η ομάδα τόνισε επίσης τα κατασκευαστικά πλεονεκτήματα της προσέγγισης.
«Και επειδή η διαδικασία μας χρησιμοποιεί πολυμερισμό in situ, οι κατασκευαστές μπαταριών δεν θα χρειαστεί να αναδιαμορφώσουν τις γραμμές παραγωγής τους—είναι μια λύση drop-in που λειτουργεί με τον υπάρχοντα εξοπλισμό», ανέφεραν οι συγγραφείς.
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η ίδια στρατηγική σχεδιασμού θα μπορούσε τελικά να προσαρμοστεί σε άλλες χημικές ουσίες μπαταριών, συμπεριλαμβανομένων των συστημάτων με βάση το νάτριο και τα συστήματα λιθίου-θείου.
www.worldenergynews.gr
