Lepší lithium-iontové baterie

Připravuje se nová inkarnace lithium-iontových baterií na bázi pevných polymerů. Berkeley, startup založený na CA Společnost Seeo, Inc . říká, že jeho lithium-iontové články budou bezpečnější, s delší životností, lehčí a levnější než současné baterie. Baterie Seeo používají tenké polymerní filmy jako elektrolyt a lehké elektrody s vysokou hustotou energie. Lawrence Berkeley National Laboratory nyní vyrábí a testuje buňky navržené University of California, Berkeley spinoff.

Odolný a kompaktní: Lithium-iontové články, které používají polymerní elektrolyty, lze za přijatelnou cenu balit do kompaktních, flexibilních sáčků (viz výše), namísto laserem svařovaných kovových nádob používaných v současných článcích.

Lithium-iontové baterie se používají v mobilních telefonech a noteboocích, protože jsou menší a lehčí než jiné typy baterií. Nadějné jsou také pro elektrická a hybridní vozidla. Konvenční materiály a chemie však zabránily jejich rozsáhlému používání v automobilech.

Dnešní lithium-iontové baterie používají lithium-kobaltové oxidové elektrody a kapalný elektrolyt, typicky soli lithia rozpuštěné v organickém rozpouštědle. Materiál elektrody může při přebití nebo proražení uvolňovat kyslík, což způsobí vznícení hořlavého rozpouštědla a explozi baterie. Kromě toho jsou nabité elektrody velmi reaktivní s kapalným elektrolytem, ​​což snižuje výkon a [životnost cyklu], říká Khalil Amine , manažer skupiny pro pokročilé technologie baterií v Argonne National Laboratory.

Klíčovým průlomem Seeo je pevný polymerní elektrolyt. Není hořlavý, a proto je ze své podstaty bezpečnější. Navíc si baterie časem zachová větší kapacitu, protože polymer nereaguje s nabitou elektrodou. Údaje o životnosti naznačují, že konvenční lithium-iontové systémy ztratí přibližně 40 procent kapacity během 500 cyklů, říká Mohit Singh, spoluzakladatel Seeo. Získáme mnohem lepší cyklus života. Můžeme projít 1000 cykly s méně než 5% ztrátou kapacity.

Pro zápornou elektrodu nebo anodu funguje elektrolyt také s lithiovými kovovými filmy, které jsou lehčí než současné materiály anody. To znamená, že baterie může poskytnout více energie při stejné hmotnosti. Na základě jediného článku baterie Seeo vypočítalo, že by měla hustotu energie až 300 watthodin na kilogram, což je o 50 procent více než lithium-iontové baterie, které jsou dnes na trhu.

Baterie s pevnými elektrolyty mají další bonus v tom, že jsou levnější na výrobu, říká Amine. Zatímco kapalné elektrolyty musí být těsně uzavřeny uvnitř laserem svařované kovové nádoby, plastové elektrolyty mohou být zabaleny do tepelně utěsněných sáčků.

Výhody polymerních materiálů zaručují výzkum polymerních elektrolytů již více než tři desetiletí. Ve skutečnosti se lithium-polymerové baterie již nacházejí v rádiem řízených autech a MP3 přehrávačích. Používají však polymerní gel obsahující rozpouštědla, takže stejně jako kapalné elektrolyty nesou riziko požáru nebo výbuchu a nemají příliš dlouhou životnost.

Výroba pevných polymerů, které jsou stejně vodivé jako kapalné elektrolyty, byla obtížná. V nabíjecí baterii vede elektrolyt ionty lithia z kladné elektrody nebo katody k anodě. Čím vyšší je vodivost elektrolytu, tím rychleji se baterie nabíjí. St. Paul, MN-umístěný 3M a Montreal, kanadský poskytovatel elektřiny Hydro-Quebec strávili více než 10 let na lithiových bateriích s pevným polymerem. Ale musíte pracovat s polymerem při 60 stupních Celsia, abyste zlepšili vodivost, říká Amine. To není moc praktické.

Problém je v tom, že vodivost polymeru a mechanická pevnost nejdou ruku v ruce. Pokud by se lidé pokusili vyrobit polymery s vysokou iontovou vodivostí, skončili by s hovno, říká Singh.

Společnost Seeo tento problém obešla výrobou filmů s blokovými kopolymery: materiály obsahující dva spojené polymerní řetězce, které se samy skládají do nanostruktur. Jeden z polymerů tvoří řadu vodivých válců, které jsou zapuštěny do druhého polymeru, který slouží jako tvrdá matrice. Singh říká, že vrstva elektrolytu je robustní a je téměř stejně vodivá jako tekuté elektrolyty.

Technologie Seeo se stala velmi atraktivní díky svému tvrzení o vysoce vodivém polymeru, říká Amine. Lithiová anoda by však mohla zaskočit. Lithium má tendenci zdrsňovat na povrchu a růst krystalové dendrity, které se mohou dostat ke katodě a zkratovat baterii. Společnost bude muset provést dlouhodobé testy, aby prokázala, že její polymer je dostatečně tvrdý, aby blokoval dendrity.

Polymerní elektrolyty mají také jednu velkou inherentní nevýhodu. Polymery budou vždy omezeny nižší iontovou vodivostí ve srovnání s kapalinami, říká Singh. To znamená, že baterie Seeo by byla omezena pro použití v laptopech a elektrických vozidlech. Tyto polymery by však nebyly schopny řešit aplikace s rychlým nabíjením, jako jsou hybridní elektrická vozidla nebo elektrické nářadí.

skrýt