Пористая графеновая губка может привести к развитию новых аккумуляторных технологий

I Новаторские аккумуляторные технологии потребуются для удовлетворения потребностей электроники в будущем. В этом отношении литий-серные батареи могут обеспечить решение, так как они имеют гипотетическую плотность энергии примерно в пять раз больше, чем у литий-ионных батарей.

Конструкция Chalmers для литиево-серной батареи. Высокопористое качество графенового аэрогеля позволяет достаточно хорошо вымачивать серу, чтобы оправдать концепцию католита. (Фото предоставлено Йеном Страндквистом / Технологическим университетом Чалмерса)

В настоящее время исследовательская группа из Технологического университета Чалмерса, Швеция, недавно сообщила о потенциальном прорыве для такого типа батарей, и они достигли этого, используя католит с помощью графеновой губки.

Инновационная концепция, разработанная командой, представляет собой губчатый пористый аэрогель, состоящий из восстановленного оксида графена. Этот аэрогель выполняет функцию автономного электрода в элементе батареи, обеспечивая более эффективное и более эффективное использование серы.

Обычно четыре части входят в стандартную батарею. Сначала включается пара поддерживающих электродов, которые покрыты активным веществом, и эти электроды называются катодом и анодом. Между ними находится электролит, обычно жидкость, который позволяет переносить ионы туда и обратно. Сепаратор является четвертым компонентом, который служит физическим барьером, препятствуя контакту между обоими электродами и, в то же время, обеспечивая перенос ионов.

Ранее исследователи пытались интегрировать электролит и катод в жидкость, известную как «католит». Такая концепция не только сэкономит вес батареи, но также обеспечит лучшую мощность и возможности более быстрой зарядки. Теперь изготовление нового графенового аэрогеля сделало эту концепцию осуществимой, обеспечив некоторые весьма потенциальные результаты.

Ученые первоначально встроили тонкий слой пористого графенового аэрогеля в традиционный корпус батарейки типа «таблетка».

Вы берете аэрогель, который представляет собой длинную тонкую трубку, а затем режете его – почти как салями. Вы берете этот кусок и сжимаете его, чтобы вставить в батарею .

Кармен Кавалло, ведущий научный сотрудник, кафедра физики, Технологический университет Чалмерса.

Впоследствии к батарее добавили католит – раствор, богатый серой. Выступая в роли опоры, высокопористый аэрогель впитывает раствор, как губка.

Пористая структура графенового аэрогеля является ключевой. Он впитывает большое количество католита, обеспечивая достаточно высокую загрузку серы, чтобы сделать концепцию католита целесообразной. Этот вид полужидкого католита действительно важен здесь. Это позволяет сере циркулировать назад и вперед без каких-либо потерь. Он не теряется при растворении, потому что он уже растворен в растворе католита.

Кармен Кавалло, ведущий научный сотрудник, кафедра физики, Технологический университет Чалмерса.

Сепаратор также покрыт некоторым количеством раствора католита, чтобы он мог выполнять свою роль электролита. Такой подход также максимизирует содержание серы в батарее.

Литий-ионные аккумуляторы составляют большинство аккумуляторов, используемых в настоящее время во всем, от электромобилей до мобильных телефонов. Тем не менее, этот вид батареи достигает своих ограничений, и, следовательно, новые химические составы становятся жизненно важными для приложений, где требуется более высокая мощность. Литий-серные батареи обеспечивают ряд преимуществ, в том числе относительно более высокую плотность энергии. В настоящее время лучшие коммерчески доступные литий-ионные аккумуляторы работают при мощности около 300 Вт / ч / с гипотетическим максимумом около 350. С другой стороны, литий-серные батареи имеют гипотетическую плотность энергии от около 1000 до 1500 Вт. ч / кг.

Кроме того, сера дешева, очень распространена и намного более экологична. Преимущество литий-серных батарей также заключается в том, что в них нет необходимости содержать какой-либо вредный для окружающей среды фтор, что обычно встречается в литий-ионных батареях.

Александар Матич, ведущий преподаватель и профессор физического факультета Технического университета Чалмерса.

До сих пор проблема с литий-серными батареями заключалась в их недостаточной стабильности и, следовательно, в результате низкого срока службы. Существующие версии батарей имеют тенденцию к быстрому вырождению и имеют ограниченный срок службы с неоправданно низким числом циклов. Тем не менее, при тестировании своего последнего прототипа исследователи из Технологического университета Чалмерса показали сохранение емкости 85% после 350 циклов.

Инновационный дизайн устраняет две основные проблемы, связанные с деградацией литий-серных батарей. Во-первых, сера имеет тенденцию растворяться в электролите и исчезает, а во-вторых, это «эффект челнока», при котором молекулы серы перемещаются. от катода к аноду. В последнем проекте эти нежелательные проблемы могут быть значительно уменьшены.

Тем не менее, команда отметила, что необходимо провести дополнительные исследования, прежде чем новая технология сможет полностью реализовать свой рыночный потенциал.

Поскольку эти батареи производятся альтернативно большинству обычных батарей, необходимо будет разработать новые производственные процессы, чтобы сделать их коммерчески жизнеспособными.

Александар Матич, ведущий преподаватель и профессор физического факультета Технического университета Чалмерса.

Source link