211service.com
Vysokokapacitní lithium-iontové baterie 3M
Do konce příštího roku inženýři at 3M , se sídlem v St. Paul, MN, očekávají, že budou mít pro výrobce baterií připraveny nové materiály a výrobní metody, které zvýší kapacitu lithium-iontových baterií o 30 procent. Tyto nové metody budou také řešit bezpečnostní problémy spojené s používáním takových baterií v přenosných počítačích.
Nedávné stažení lithium-iontových baterií do notebooků Sony kvůli obavám, že by se mohly vznítit, zahrnovalo baterie používané v některých počítačích Dell a Apple a mohlo by se rozšířit až na 9,6 milionu baterií do notebooků. Není tedy žádným překvapením, že zatímco společnost Sony tvrdí, že v továrnách byly provedeny změny, které by měly problém vyřešit, mnoho výrobců se snaží najít bezpečnější technologii. Ale alternativy ke konvenčním lithium-iontovým bateriím mají tendenci představovat kompromisy, jako jsou zvýšené náklady nebo snížená kapacita pro ukládání energie (viz Bezpečnější baterie s vyšší kapacitou a Jak budou baterie budoucnosti delší a bezpečnější ).
Pokrok 3M zahrnuje nové elektrolyty a elektrodové materiály. Ačkoli oba materiály budou stát více než běžné lithium-iontové baterie, přidaná energetická kapacita materiálů elektrod by měla vyrovnat náklady snížením klíčového ukazatele ceny baterie, nákladů na watthodinu, říká výzkumný specialista 3M Mark Obrovac.
Společnost řeší bezpečnost baterií zlepšením elektrolytů, kapaliny uvnitř lithium-iontových baterií, která vede ionty lithia, ale blokuje elektrony, což je nutí cestovat přes vnější obvod, aby napájely zařízení. Za určitých podmínek, například když je baterie přebitá, přehřátá nebo má vnitřní zkrat způsobený poškozením nebo výrobními problémy, může elektrolyt chemicky reagovat s materiály v elektrodách baterie. V některých případech může baterie explodovat a rozprášit elektrolyt do okolního vzduchu, kde se může vznítit jako plamenomet, říká Obrovac.
Společnost vyvinula aditiva pro stávající elektrolyty i nové elektrolyty, které nebudou reagovat s elektrodami. Bezpečnější elektrolyty při vystavení otevřenému plameni skutečně nevzplanou. Jako další bonus, říká technický manažer 3M pro výzkum baterií, Doug Magnuson, nová chemie funguje lépe při extrémně nízkých teplotách, jako je minus 40 stupňů Celsia, při kterých ostatní elektrolyty blokují tok iontů a účinně snižují kapacitu baterie o 80 až 90 procent. . Tato ztráta kapacity je nyní klíčovou překážkou používání lithium-iontových baterií v hybridních vozidlech, která by mohla být vystavena těmto podmínkám. Nové elektrolyty by umožnily iontům volně proudit při těchto teplotách, což by potenciálně omezilo ztráty na přibližně 40 procent kapacity, odhaduje Obrovac.
Inženýři 3M také říkají, že nové materiály elektrod zlepší kapacitu baterie o 30 procent. Společnost například nahrazuje současné materiály anody na bázi grafitu anodou na bázi křemíku, která by měla zdvojnásobit množství iontů lithia, které může anoda uložit. Kapacita lithium-iontových baterií je omezena množstvím lithia, které lze uložit do elektrod. Grafitové anody mohou vyžadovat šest atomů uhlíku k uložení pouze jednoho iontu lithia. Elektrody obsahující kovy a metaloidy, jako je cín nebo křemík, mohou pojmout mnohem více iontů lithia – například téměř čtyři ionty na každý atom křemíku – vytvářením slitin.
Ale takové elektrody byly nepraktické, protože materiál může nabobtnat na trojnásobek své původní velikosti, protože obsahuje ionty lithia. Takové dramatické změny velikosti způsobují zkázu na buňce a zkracují její životnost.
Přístup společnosti 3M snižuje rozsah, ve kterém anoda expanduje, použitím amorfního křemíku namísto krystalického křemíku a jeho spárováním s inertními materiály, což pomáhá stabilizovat systém. Inženýři 3M také vyvinuli lepší metody pro ukládání materiálů na fólie, které jsou později srolovány do válcové baterie. Nyní tyto metody optimalizují pro velkosériovou výrobu.
Nové materiály snižují, ale neeliminují expanzi a kontrakci, když se ionty pohybují dovnitř a ven z anody. Výsledkem je, že výzkumníci vyvíjejí nové návrhy baterií, které dokážou absorbovat změny velikosti. Obrovac říká, že tyto návrhy spolu s novými materiály elektrod a elektrolytů by měly být připraveny pro výrobce baterií, aby je mohli začít začleňovat do svých produktů někdy v příštím roce.
Ted Miller, supervizor pokročilé technologie baterií ve společnosti Ford Motor , v Dearborn, MI, říká, že odklon od grafitu k těmto druhům anod je kromě zvýšení kapacity nezbytný pro zvládnutí extrémně chladných podmínek, kterým mohou být vystaveny v aplikacích ve vozidlech. Za těchto podmínek může nabíjení baterie způsobit nahromadění kovového lithia, které někdy během několika minut poškodí baterii za mnoho měsíců. Odklon od grafitu zabrání reakcím, které vedou k nahromadění lithium-kovu, říká Miller.
Dosud se komerčně používá pouze jedna anoda na bázi slitiny: baterie od Sony s názvem Nexelium, která používá anodu na bázi cínu. Tato technologie se ale podle materiálového vědce z MIT začne objevovat častěji Přesto-Ming Chiang . Je to velmi logický směr, kterým se společnosti vyrábějící baterie ubírají, říká.