8 Minutės
Proveržis: natrio kietojo kūno baterijos žemiau nulio
Jungtinis tyrimų kolektyvas, vadovaujamas Y. Shirley Meng iš Chicago universiteto, kartu su partneriais sukūrė metodą stabilizuoti aukšto laidumo natrio kietąjį elektrolitą, leidžiantį visiškai kietųjų natrio baterijų sistemoms užtikrinti patikimą veikimą kambario temperatūroje ir net žemiau 0 °C. Šis pasiekimas sprendžia vieną pagrindinių natrio pagrindo kietojo kūno baterijų trūkumų ir priartina natrio cheminę sistemą prie praktinio panaudojimo kaip pigesnės ir gausesnės alternatyvos ličiui.
Mokslinis pagrindas ir kodėl tai svarbu
Visiškai kietojo kūno baterijos pakeičia degias skystas elektrolitų sistemas tvirtomis medžiagomis, taip ženkliai didindamos saugumą ir leidžiančios projektuoti didesnės energijos tankio sistemas. Iki šiol dauguma tyrimų ir pramonės dėmesio krypo link ličio, nes ličio jonų chemijos pasižymi aukštu joniniu laidumu ir jau yra išvystytos gamybos technologijos. Tačiau ličio ištekliai yra riboti geografiškai, jo gavyba brangi ir dažnai susijusi su dideliu poveikiu aplinkai.
Natrio chemija yra patraukli dėl kelių priežasčių: natris yra gerokai gausesnis Žemėje, pigesnis nei ličis ir paprastai reikalauja mažesnių aplinkos sąnaudų didelės apimties gavybai. Nepaisant to, natrio pagrindu pagamintos visiškai kietojo kūno baterijos tradiciškai kenčia nuo prasto joninio laidumo ir ribotos elektrocheminės veiklos esant praktinėms temperatūroms arba naudojant storas elektrodo dangas. Tai smarkiai riboja jų pritaikymą realiame pasaulyje, kur reikalingas tiek veikimas šaltame ore, tiek konkurencingas energijos tankis.
Taigi pagrindinis iššūkis — kaip išgauti ir išlaikyti tokį elektrolitą, kuris vienu metu būtų mechaninis, cheminis ir elektrocheminis tinkamas, palaikytų greitą natrio jonų judėjimą ir būtų suderinamas su tankiais katodais bei plėšriomis gamybos sąlygomis. Šios naujos studijos tikslas buvo išspręsti šią problemą per medžiagų fazių inžineriją ir pažangų terminį apdorojimą.
Kaip komanda pasiekė metastabilios fazės stabilizavimą
Tyrėjai nukreipė dėmesį į metastabilią natrio hidrido-borato kristalinę struktūrą — natrio turinčią tvirto elektrolito formą. Pagal pirmojo autoriaus Sam Oh (A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, Singapūras, lankytojas Meng laboratorijoje) teigimu, ši metastabili fazė demonstruoja joninį laidumą, kuris yra bent dešimt kartų didesnis nei anksčiau aprašytų fazių bei tris–keturis eilės tvarka didesnis už jos pirmtako laidumą.
Terminis apdorojimas — aukšto laidumo „užrakinimas“
Tyrėjai taikė kontroliuojamą terminį gydymą: jie šildė metastabilų pirmtaką iki kristalizacijos pradžios, po to staigiai atšaldė. Toks kinetinis stabilizavimas — gerai žinoma medžiagų mokslo technika — leido „užrakinti“ kristalinę struktūrą, kuri nors ir nėra termodinamiškai labiausiai palanki, tačiau palaiko greitą natrio jonų transportą per tą kietąjį elektrolitą.
Tolesniame etape grupė suderino šią stabilizuotą tvirtąją elektrolito formą su O3 tipo sluoksniuotu katodu, padengtu chloridiniu kietuoju elektrolitu. Tai leido suformuoti storo sluoksnio, aukšto paviršinio įkrovimo katodus — priešingai nei įprastai, kai dėl riboto joninio laidumo naudojamos labai plonos katodų dangos. Tokia konfigūracija atveria kelią didesniam aktyvios medžiagos santykiui viename plote, o tai praktiškai reiškia didesnę energijos talpą vienam paviršiaus vienetui.
Sam Oh pabrėžė: „Kuo storesnis katodas, tuo teorinis baterijos energijos tankis — kiek energijos galima sutalpinti tam tikrame plote — gerėja.“ Stori katodai mažina neaktyvių komponentų dalį ir padidina aktyvaus katodinio komponento dalį, taip didinant realią energiją vienam paviršiaus vienetui. Visa tai turi tiesioginę reikšmę transporto priemonių baterijoms, stacionarioms energijos kaupimo sistemoms ir kitiems pritaikymams, kur energijos tankis ir kaina yra esminiai parametrrai.
Nauji tyrimai iš UChicago Pritzker Molekulinės inžinerijos mokyklos, kur Liew šeimos profesorius Y. Shirley Meng vadovauja tyrimams, pakelia kartelę natrio pagrindo visiškai kietojo kūno baterijoms kaip alternatyvai ličio pagrindu pagamintoms sistemoms. Nuotraukos kreditas: UChicago Pritzker School of Molecular Engineering / Jason Smith
Pagrindiniai rezultatai ir pasekmės
- Ioninistrinis laidumas: Stabilizuota metastabili natrio hidrido-borato fazė žymiai pagerina natrio jonų laidumą, palyginti su anksčiau aprašytomis fazėmis. Tai leidžia efektyviai pernešti krūvį per tvirtąjį elektrolitą ir sumažina ribojančius rezistorius, ypač esant žemesnei temperatūrai.
- Darbas žemoje temperatūroje: Akumuliatoriaus elementai su nauju elektrolitu ir storais katodais išlaikė našumą tiek kambario temperatūroje, tiek žemiau nulio — tai svarbus žingsnis link praktiško pritaikymo umbratingose ir šaltose klimatinėse zonose, kur tradicinės baterijos dažnai praranda efektyvumą.
- Gamybos galimybės: Kadangi stabilizavimo metodas remiasi gerai žinomais terminio apdorojimo etapais, pramonė gali palyginti greičiau priimti ir mastuoti šį sprendimą nei visiškai naujas chemines sintezės technologijas. Tai sumažina techninio ir finansinio perėjimo riziką pereinant nuo laboratorijos prie pilotinių linijų.
Y. Shirley Meng užsiminė: „Čia ne klausimas natrio prieš ličio. Abi chemijos turi savo vietą.“ Anot jos, mąstant apie ateities energijos kaupimo sprendimus, verta įsivaizduoti gigafabrikus, kurie tuo pačiu metu gamintų tiek ličio, tiek natrio pagrindu paremtus produktus. Šis tyrimas priartina mus prie tokio universalaus gamybos modelio ir tuo pačiu plečia fundamentines žinias apie kietųjų elektrolitų elgseną.
Susijusios technologijos ir ateities perspektyvos
Ši studija kertasi su keliais aktyviais tyrimų kryptimis: kietųjų elektrolitų paieška ir optimizavimas, elektrodo ir elektrolito sąsajų valdymas bei mastelio didinimą leidžiantys terminiai apdorojimo metodai. Chloridinis paviršiaus padengimas ant O3 tipo katodo pagerina sąsajų suderinamumą, mažindamas sąsajų rezistenciją ir galimą cheminį nesuderinamumą, tuo tarpu stabilizuotas elektrolitas leidžia naudoti didesnį paviršinį įkrovimą, kuris yra būtinas siekiant energijos tankių, tinkamų elektromobiliams ar tinklo saugojimui.
Vis dėlto lieka svarbių iššūkių: ilgalaikis ciklinis stabilumas, visiškų elementų optimizavimas (full-cell), taip pat terminalus metodus atitinkančio mastelio didinimas užtikrinant pakartojamą mikrostruktūrą ir fazės švarą. Atsparumas mechaniškai ir cheminis stabilumas per šimtus ar tūkstančius ciklų yra būtini reikalavimai komerciniam priėmimui. Verta paminėti, kad šiek tiek didesnė vidaus varža esant labai žemoms temperatūroms arba didesnis jautrumas deguonies / drėgmės pėdsakams pramoninės gamybos metu gali reikalauti papildomų apsaugos metodų ir kokybės kontrolės etapų.
Nežiūrint į tai, kad apdorojimo eiga remiasi gerai suprantamais inžineriniais principais, pereinamasis etapas nuo eksperimentų iki pilotinės gamybos visada reikalauja kruopščios proceso inžinerijos. Pavyzdžiui, kontroliuojamo atšilimo ir greito atvėsinimo procesai privalo būti pritaikyti dideliems partijoms, o mikrostruktūros homogenumas visoje plokštelėje turi likti vienodas. Tokie reikalavimai — nors techniniai — yra sprendžiami pramoninės termomechanikos ir medžiagų apdorojimo inžinerijos priemonėmis, todėl kelias į pilotinę gamybą atrodo aiškesnis nei su kai kuriomis visiškai naujomis cheminėmis sistemomis.
Ekspertų įžvalgos
„Stabilizuoti metastabilų fazę tam, kad atvertum joninį laidumą, yra sumanus ir praktiškas sprendimas,“ sako dr. Elena Kim, kietojo kūno baterijų tyrėja (fiktyvus pareiškimas). „Jei komanda sugebės parodyti nuoseklų ilgalaikį ciklinį išlaikymą ir užtikrinti mechaninį integralumą su storais elektrodo sluoksniais, ši kryptis gali tapti kertiniu žingsniu link natrio pagrindu veikiančių sistemų, konkurencingų ličio sprendimams mažesnės kainos ir stacionaraus saugojimo programose.“
Išsamesnės techninės pastabos
Techniniu požiūriu, stabilizuotos metastabilios fazės sėkmė priklauso nuo kelių kritinių parametrų: pirmiausia, nuo precizinių terminio ciklo parametrų — temperatūros ribų, šildymo greičio, palaikymo laiko ir aušinimo spartos. Kiekvienas iš šių parametrų veikia kristalinės fazės augimą ir dislokacijų tankį, kurie savo ruožtu daro įtaką jonų perėjimo keliams ir makrolydžio laidumui. Antra, paviršiaus inžinerija — chloridinių dangų naudojimas ant O3 katodų — yra kertinė sąsajų stabilumo dalis: chloridai gali sumažinti sąsajų reakcijų žalingus produktus ir pagerinti plokščių kontaktą tarp katodo ir tvirto elektrolito.
Trečia, mechaninis suderinamumas tarp katodo, elektrolito ir anodo (ypač jei naudojamas metalinis natris arba alternatyvūs anodiniai sprendimai) yra būtinas ilgaamžiškumui. Stori katodai gali sukelti mechaninius įtempius, atsirandančius dėl tūrio pokyčių įkrovimo metu; ši problema turi būti sprendžiama per tinkamą orange/poringumo valdymą, rišančių medžiagų parinkimą ir galimus kietųjų-elektrolitų lankstesnius susijungimus.
Išvada
Chicago universiteto vadovaujamas tyrimas parodo realistinį kelią į aukštos charakteristikos natrio visiškai kietojo kūno baterijas, kinetiškai stabilizuojant aukšto laidumo metastabilų natrio hidrido-borato fazę ir integruojant ją su storais, chloridu padengtais O3 katodais. Rezultatas sumažina našumo atotrūkį tarp natrio ir ličio sistemų ir žengia žingsnį link labiau gausių, ekonomiškesnių bei tvaresnių energijos kaupimo sprendimų ateičiai. Tolimesni darbai, orientuoti į patvarumą, gamybos mastelio didinimą ir visiškų elementų optimizavimą, nulems, kaip greitai natrio kietojo kūno baterijos persikels iš laboratorinių demonstracijų į komercinius produktus.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą