Электролиты в современных аккумуляторах: Как выбрать электролит для автомобильного аккумулятора

Создан электролит, который способен в два раза увеличить ёмкость литиевых аккумуляторов

3DNews Технологии и рынок IT. Новости на острие науки Создан электролит, который способен в дв… Самое интересное в обзорах 30.03.2021 [13:10],  Геннадий Детинич Учёные из Массачусетского технологического института (MIT) разработали электролит, который обещает до двух раз увеличить ёмкость литиевых аккумуляторов. Важность подобного изобретения трудно переоценить. Для транспорта на электрической тяге двукратное повышение ёмкости батарей без увеличения объёма и веса аккумуляторов стало бы настоящей революцией. Слева литиевый анод в трещинах при работе в обычном электролите, справа целый — в перспективном. Источник изображения: MIT Интересно, что новый электролит первоначально был разработан для перспективных литиево-воздушных аккумуляторов. Но они появятся ещё не скоро, зато разработка показала себя необычайно хорошо в составе литиево-металлических аккумуляторов. Известная проблема литийметаллических аккумуляторов — это разрушение электродов (анода и катода). В частности, анод из металлического лития, который существенно повышает ёмкость и эффективность работы литийметаллических аккумуляторов, в процессе работы теряет литий путём его безвозвратного растворения в электролите. Испытания нового электролита в составе литиево-металлического аккумулятора с металлическим анодом и катодом из оксидов лития, никеля, марганца и кобальта показало, что поверхности электродов не теряют металлы (не растрескиваются) и самоочищаются во время циклов заряда и разряда. «Электролит химически устойчив к окислению высокоэнергетических материалов, богатых никелем, предотвращая разрушение частиц и стабилизируя положительный электрод во время цикла, — сказал Ян Шао-Хорн (Yang Shao-Horn) из Массачусетского технологического института. — Электролит также обеспечивает стабильную и обратимую очистку и покрытие металлического лития, что является важным шагом на пути создания перезаряжаемых литийметаллических батарей с энергией, вдвое превышающей энергию современных литийионных батарей. В перспективе с новым электролитом ёмкость литийметаллических аккумуляторов может достичь 420 Вт·ч/кг, тогда как современные литийионные аккумуляторы с среднем демонстрируют 260 Вт·ч/кг. К сожалению, вещество, на котором основан перспективный электролит, современная промышленность не производит. Учёные обещают разработать техпроцессы, чтобы исправить это положение. Источник: Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER. Материалы по теме Постоянный URL: https://3dnews.ru/1036098/sozdan-elektrolit-kotoriy-sposoben-v-dva-raza-uvelichit-yomkost-litievih-akkumulyatorov Рубрики: Новости Hardware, блоки питания, адаптеры, источники питания, на острие науки, Теги: литийметаллический, сша, учёные, аккумулятор ← В прошлое В будущее →

Простые соли помогли учёным создать новый тип электролитов для аккумуляторов – Новости – Научно-образовательный портал IQ – Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»

Команда российских исследователей с участием представителей МИЭМ НИУ ВШЭ создала эффективные водные электролиты на основе насыщенных растворов солей. Электролиты демонстрируют высокие показатели электропроводности и электрохимической стабильности при меньшем расходе нетоксичных солей, что делает системы на их основе значительно дешевле классических неводных аккумуляторов. Исследование опубликовано в

The Journal of Physical Chemistry C.

Электролиты — вещества, расплавы или растворы которых проводят электрический ток. Их используют в аккумуляторах, где энергия от химических реакций преобразуется в электрическую. Часто электролиты для металл-ионных аккумуляторов состоят из солей щелочных металлов, растворенных в органических соединениях (диметилкарбонате, этиленкарбонате и т.д.). Но в последнее десятилетие популярны водные электролиты: в отличие от органических, они не нуждаются в тщательном осушении исходных материалов и соблюдении сверхнизкой влажности в помещениях для сборки.

С практической точки зрения замена органического растворителя на водную среду позволит снизить стоимость производства и повысить безопасность эксплуатации подобных устройств.

Но у использования водных электролитов есть проблема — высокая электрохимическая активность воды. На электродах возникают побочные реакции выделения кислорода и водорода, которые приводят к быстрой деградации электродных материалов и выходу аккумулятора из строя. Поэтому выбор подходящих электродов ограничен и энергоемкость аккумуляторов на водных электролитах остается низкой.

Один из способов решения проблемы низкой энергоемкости водных электролитов — использование насыщенных растворов солей. Авторы статьи предложили два варианта растворов: на основе пропионата (соль пропионовой кислоты) натрия и на основе смеси формиатов (соли муравьиной кислоты) лития и калия. Это простые соли, без фтора и тяжёлых элементов, что делает их более экологичными по сравнению с уже известными электролитами. Расход таких солей меньше, при этом значения электропроводности высокие. Однако это первое применение подобных растворов в качестве электролитов для водных аккумуляторов или суперконденсаторов.

Насыщенные растворы солей увеличивают окно потенциалов — наиболее важную характеристику, которая определяет стабильность электролита. В свою очередь увеличение окна потенциалов электролитов позволяет выбирать электродные материалы с наибольшей разностью потенциалов, что приводит к увеличению мощности и заряда аккумулятора. По самым скромным оценкам, при окне потенциалов электролита в 1,5‒2,5 вольта и использовании современных электродов удаётся добиться энергоемкости уровня современного свинцового аккумулятора.

Исследователи протестировали электролиты на нескольких коммерческих электродных материалах, которые сегодня используются в аккумуляторах. Они продемонстрировали хорошие показатели заряда.

Наша разработка, я надеюсь, подстегнет научное сообщество в поиске новых систем для электролитов. Она может быть полезна в различных проектах зелёной химии и энергетики, помогая в решении проблем утилизации и создавая новые технологии производства экологически приемлемого источника энергии.

IQ

Автор текста: Екатерина Корчагина

22 ноября, 2022 г.

Химия

---

Разработка улучшенных аккумуляторных электролитов | Аргоннская национальная лаборатория

Процесс проектирования батареи состоит из трех частей. Вам нужен положительный электрод, вам нужен отрицательный электрод и, что важно, вам нужен электролит, который работает с обоими электродами.

Электролит — это компонент батареи, который переносит ионы — частицы, несущие заряд, — туда и обратно между двумя электродами батареи, заставляя батарею заряжаться и разряжаться. Для современных литий-ионных аккумуляторов химический состав электролита относительно хорошо определен. Однако для будущих поколений аккумуляторов, разрабатываемых по всему миру и в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE), вопрос о конструкции электролита остается открытым.

«Хотя мы привязаны к определенной концепции электролитов, которые будут работать с современными коммерческими батареями, для литий-ионных батарей решающее значение будет иметь дизайн и разработка различных электролитов», — сказала Ширли Менг, главный научный сотрудник Argonne Collaborative. Центр науки о хранении энергии (ACCESS) и профессор молекулярной инженерии в Притцкеровской школе молекулярной инженерии Чикагского университета. «Разработка электролитов является одним из ключей к прогрессу, которого мы добьемся, сделав эти более дешевые, долговечные и более мощные батареи реальностью, и сделав один важный шаг к продолжению обезуглероживания нашей экономики».

В новой статье, опубликованной в журнале Science, Мэн и его коллеги изложили свое видение конструкции электролита в батареях будущих поколений.

По словам Мэн, даже относительно небольшие отклонения от современных аккумуляторов потребуют переосмысления конструкции электролита. По ее словам, переход от никельсодержащего оксида к материалу на основе серы в качестве основного компонента положительного электрода литий-ионной батареи может дать значительные преимущества в производительности и снизить затраты, если ученые смогут понять, как изменить электролит.

Для других химических элементов, помимо литий-ионных аккумуляторов, таких как перезаряжаемые натрий-ионные или литий-кислородные, ученым также придется уделить значительное внимание вопросу электролита.

Одним из основных факторов, который учитывают ученые при разработке новых электролитов, является то, как они склонны образовывать промежуточный слой, называемый межфазным, который использует реактивность электродов. «Интерфазы имеют решающее значение для функционирования батареи, потому что они контролируют то, как селективные ионы поступают в электроды и выходят из них», — сказал Мэн. «Интерфазы функционируют как ворота для остальной части батареи; если ваши ворота не работают должным образом, селективный транспорт не работает».

Ближайшая цель, по словам команды, состоит в том, чтобы разработать электролиты с правильными химическими и электрохимическими свойствами, чтобы обеспечить оптимальное образование межфазных фаз как на положительном, так и на отрицательном электродах батареи. В конечном счете, однако, исследователи полагают, что они смогут разработать группу твердых электролитов, которые будут стабильны при экстремальных (как высоких, так и низких) температурах и позволят батареям с высокой энергией иметь гораздо более длительный срок службы.

«Твердотельный электролит для полностью твердотельной батареи изменит правила игры», — сказал Венкат Шринивасан, директор ACCESS, заместитель директора Объединенного центра исследований в области хранения энергии и соавтор статьи. «Ключом к твердотельной батарее является металлический анод, но его производительность в настоящее время ограничена образованием игольчатых структур, называемых дендритами, которые могут закорачивать батарею. Найдя твердый электролит, который предотвращает или ингибирует образование дендритов, мы можем реализовать преимущества некоторых действительно захватывающих химических процессов в батареях».

Чтобы ускорить охоту за прорывами в области электролитов, ученые обратились к возможностям расширенной характеристики и искусственного интеллекта (ИИ) для поиска в цифровом виде множества возможных кандидатов, ускорив медленный и кропотливый процесс лабораторного синтеза. «Высокопроизводительные вычисления и искусственный интеллект позволяют нам определять лучшие дескрипторы и характеристики, которые позволят разрабатывать различные электролиты для конкретных целей», — сказал Мэн. «Вместо того, чтобы рассматривать несколько десятков электролитов в год в лаборатории, мы рассматриваем многие тысячи с помощью вычислений».

«У электролитов есть миллиарды возможных комбинаций компонентов — солей, растворителей и добавок — с которыми мы можем играть», — сказал Шринивасан. «Чтобы превратить это число во что-то более управляемое, мы начинаем действительно использовать мощь ИИ, машинного обучения и автоматизированных лабораторий».

Автоматизированные лаборатории, о которых говорил Шринивасан, будут включать экспериментальный режим, управляемый роботами. Таким образом, машины могут проводить без посторонней помощи все более тщательно точные и калиброванные эксперименты, чтобы в конечном итоге определить, какая комбинация компонентов образует идеальный электролит. «Автоматизированное обнаружение может значительно повысить эффективность наших исследований, поскольку машины могут работать круглосуточно и снижать вероятность человеческой ошибки», — сказал он.

Мэн, Шринивасан и научный сотрудник армейской исследовательской лаборатории Кан Сюй обсуждают проблему электролитов в статье под названием «Разработка лучших электролитов», опубликованной в журнале Science 8 декабря.

Работа финансировалась Объединенным центром исследований в области хранения энергии. , Центр инноваций в области науки и энергетики Министерства энергетики, а также программа Управления науки Министерства энергетики по фундаментальным наукам об энергетике.

Объединенный центр исследований в области хранения энергии (JCESR) , Центр инноваций в области энергетики Министерства энергетики США, представляет собой крупное партнерство, объединяющее исследователей из многих дисциплин для преодоления критических научных и технических барьеров и создания новой революционной технологии хранения энергии. В число партнеров, возглавляемых Аргоннской национальной лабораторией Министерства энергетики США, входят национальные лидеры в области науки и техники из академических кругов, частного сектора и национальных лабораторий. Их совместный опыт охватывает весь спектр процессов разработки технологий, от фундаментальных исследований до разработки прототипов, разработки продуктов и доставки их на рынок.

Аргоннская национальная лаборатория занимается поиском решений насущных национальных проблем в области науки и техники. Первая в стране национальная лаборатория, Аргонн, проводит передовые фундаментальные и прикладные научные исследования практически во всех научных дисциплинах. Исследователи Аргонны тесно сотрудничают с исследователями из сотен компаний, университетов, а также федеральных, государственных и муниципальных учреждений, чтобы помочь им решить их конкретные проблемы, укрепить научное лидерство Америки и подготовить нацию к лучшему будущему. Компания Argonne, в которой работают сотрудники из более чем 60 стран, находится под управлением UChicago Argonne, LLC для Управления науки Министерства энергетики США.

Управление науки Министерства энергетики США является крупнейшим сторонником фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из самых насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите https://​energy​.gov/​s​c​ience.

Недавно обнаруженный электролит может стать ответом на емкость и стабильность литий-ионных аккумуляторов

Опубликовано в Среда, 21 декабря 2022 г.

Компания Chibueze Amanchukwu определила заменитель электролитов на основе карбонатов. (Изображение предоставлено iStock.com)

Исследователи из Чикагского университета открыли новый эфирный растворитель для литий-ионных аккумуляторов, который обеспечивает большую емкость, большую стабильность и способность работать в более широком диапазоне температур.

Работа, возглавляемая Чибуезе Аманчукву, доцентом семьи Нойбауэр в Притцкеровской школе молекулярной инженерии, выявила замену электролитам на основе карбонатов — тип соединений, известных как фторированные эфиры, — которые работают с электродами на основе графита, которые используются в современных литий-ионных батареях.

«В литий-ионных батареях, которые питают современные электронные устройства, используются те же электролиты, которые разрабатывались в течение последних 30 лет — мы не смогли придумать новые электролиты, которые могли бы превзойти их», — сказал Аманчукву. «Данные в нашей статье показывают, что наши электролиты могут превзойти текущие коммерческие электролиты для литий-ионных аккумуляторов при использовании с аккумуляторными батареями следующего поколения, такими как те, которые содержат кремний».

Открытие произошло в результате случайной связи с другим проектом в лаборатории Аманчукву. Он и его команда изобрели новый класс электролитов на основе фторированного эфира и изучали их использование в литий-металлических батареях. Они также решили протестировать электролиты в литий-ионных батареях, хотя предыдущие исследования с использованием молекул эфира показали, что они не работают с электродами на основе графита.

«Фторируя некоторые части молекулы эфира, мы фактически предотвратили деградацию, которая раньше происходила в электролитах на основе эфира», — сказал Аманчукву. «Как только мы смогли подавить это, мы могли затем включить все эти другие свойства, которые мы хотели, такие как температурный режим и более высокая плотность энергии».

Теперь он ищет партнера для бизнеса, который мог бы увеличить производство электролитов и позволить их тестировать в реальных сценариях.

«Есть некоторые вещи, которым мы просто не подвергаемся в лабораторных условиях», — сказал исследователь. «Мы ищем партнера, который инвестирует в изучение этих электролитов и предоставит нам отзывы об их характеристиках, чтобы мы могли разработать лучшие стратегии проектирования для преодоления любых проблем».

Своевременная инновация

Время изобретения Аманчукву совпадает с повышенным интересом правительства США к технологии аккумуляторов. Как двухпартийный законопроект об инфраструктуре, так и Закон о снижении инфляции обеспечивают миллионы долларов финансирования аккумуляторного сектора и стимулируют разработку аккумуляторных технологий следующего поколения.

Профессору Аманчукву было предложено предоставить письменное свидетельство Комитету Палаты представителей по науке, космосу и технологиям об этих инвестициях правительства. Он отметил важную роль инноваций в истории энергетики США и заявил, что создание альтернативных химических элементов для аккумуляторов станет «решающим разрушителем» на пути США к восстановлению лидерства в отрасли.

Помимо внутреннего интереса, во всем мире растет озабоченность по поводу изменения климата и осознание того, что некоторые из наиболее уязвимых групп населения мира пострадают от него в наибольшей степени. Доступные по цене энергосберегающие батареи представляют собой один из основных способов решения этой проблемы, и он лежит в основе работы Аманчукву.

«Переход человечества к возобновляемым технологиям должен был произойти вчера», — сказал он. «Необходимо ускорить обнаружение и развертывание, и это то, что мы пытаемся сделать».

Исследования по выявлению и синтезу новых электролитов продолжаются в лаборатории Аманчукву.