stringtranslate.com

Стеклянная батарея

Стеклянная батарея — это тип твердотельной батареи . Она использует стеклянный электролит и литиевые или натриевые металлические электроды . [1] [2] [3] [4]


История развития

Батарея была изобретена Джоном Б. Гуденафом , изобретателем литий-кобальтового оксида и литий-железо-фосфатного электродного материала, используемого в литий-ионных аккумуляторах (Li-ion), и Марией Х. Брагой , доцентом Университета Порту [5] и старшим научным сотрудником Школы инженерии Кокрелла Техасского университета . [1]

Статья с описанием батареи была опубликована в журнале Energy & Environmental Science в декабре 2016 года; [6] с тех пор было опубликовано несколько последующих работ. [7] Hydro-Québec исследует батарею для возможного производства. [8]

Исследование электролитов стекла

В сентябре 2016 года Университет штата Айова получил грант в размере 1,6 млн долларов США на разработку новых литий-ионпроводящих стеклообразных твердых электролитов. [9] В августе 2019 года было объявлено, что GM получила грант в размере 2 млн долларов США от Министерства энергетики США на исследования в области «фундаментального понимания интерфейсных явлений в твердотельных батареях» и «горячего прессования армированных полностью твердотельных батарей с электролитом из сульфидного стекла». [10]

Скептицизм и реакция на скептицизм

Первоначальная публикация в декабре 2016 года была встречена с большим скептицизмом другими исследователями в области аккумуляторных технологий, при этом некоторые из них отметили, что неясно, как получается напряжение батареи, учитывая, что на обоих электродах присутствует чистый металлический литий или натрий, который не должен создавать разницы в электрохимическом потенциале , и, следовательно, не давать напряжения элемента . [3] Таким образом, любая энергия, хранимая или выделяемая батареей, нарушала бы первый закон термодинамики . Однако высокой репутации Гуденафа было достаточно, чтобы удержать самую сильную критику, так как Дэниел Стейнгарт из Принстонского университета прокомментировал: «Если бы это опубликовал кто-то, кроме Гуденафа, я бы, ну, трудно найти вежливое слово». [3] Официальный комментарий был опубликован Стейнгартом и Венкатом Вишванатаном из Университета Карнеги-Меллона в области энергетики и наук об окружающей среде . [11]

Гуденаф ответил на скептицизм, заявив: «Ответ заключается в том, что если литий, нанесенный на катодный токосъемник, достаточно тонок для того, чтобы его реакция с токосъемником снизила его энергию Ферми до энергии Ферми токосъемника, то энергия Ферми литиевого анода будет выше, чем у тонкого лития, нанесенного на катодный токосъемник». Гуденаф продолжил говорить в более позднем интервью Slashdot , что литий, нанесенный на катод, имеет «толщину порядка микрона » . [12]

Ответ Гуденафа вызвал еще больший скептицизм со стороны Дэниела Стайнгарта, а также Мэтью Лейси из Уппсальского университета , которые указывают, что этот эффект осаждения при пониженном потенциале известен только для чрезвычайно тонких слоев ( монослоев ) материалов. [13] [14] Лейси также отмечает, что в оригинальной публикации не упоминается предел толщины лития, нанесенного на катод, а вместо этого утверждается обратное: что емкость ячейки «определяется количеством щелочного металла, используемого в качестве анода». [6]

Строительство и электрохимия

Батарея, как сообщалось в оригинальной публикации, [6] сконструирована с использованием щелочного металла ( литиевой или натриевой фольги) в качестве отрицательного электрода (анода) и смеси углерода и окислительно-восстановительного активного компонента в качестве положительного электрода (катода). Катодная смесь нанесена на медную фольгу. Окислительно-восстановительным активным компонентом является либо сера , ферроцен , либо диоксид марганца . Электролит представляет собой высокопроводящее стекло , образованное из гидроксида лития и хлорида лития и легированное барием , что позволяет быстро заряжать батарею без образования металлических дендритов . [2]

В публикации говорится, что батарея работает во время разряда, удаляя щелочной металл с анода и повторно осаждая его на катоде, при этом напряжение батареи определяется окислительно-восстановительным активным компонентом, а емкость батареи определяется количеством щелочного металла в аноде. Этот рабочий механизм радикально отличается от механизма вставки ( интеркаляции ) большинства обычных материалов для литий-ионных батарей.

В 2018 году большинством тех же авторов в журнале Американского химического общества была описана новая версия , в которой катод покрыт специальным пластифицирующим раствором, чтобы избежать растрескивания интерфейса, поскольку различные материалы расширяются с разной скоростью. Брага говорит, что новая батарея имеет в два раза большую плотность энергии, чем обычные литий-ионные батареи, и может быть перезаряжена 23 000 раз. [15] [16] [17] Критики указали на несколько необычных утверждений в статье, таких как рекордно высокая относительная диэлектрическая проницаемость ; возможно, выше, чем у любого зарегистрированного материала, и увеличение емкости батареи в течение многих циклов зарядки, а не уменьшение, как это обычно бывает со всеми другими технологиями батарей. [17] [16] В статье также не было ясно, может ли батарея удерживать свой заряд после того, как она отключена, что прояснило бы, действительно ли это новая технология батарей или просто конденсатор. [17] Брага ответил критикам, заявив: «Данные есть данные, и у нас есть похожие данные из множества разных ячеек, в четырех разных приборах, разных лабораториях, перчаточных боксах. И в конце дня светодиоды горят в течение нескольких дней с очень небольшим количеством активного материала после более чем 23 000 циклов». [17] [16]

Сравнение с литий-ионными аккумуляторами

Брага и Гуденаф заявили, что они ожидают, что батарея будет иметь плотность энергии во много раз выше, чем у современных литий-ионных батарей, а также диапазон рабочих температур до −20 °C (−4 °F); что намного ниже, чем у современных твердотельных батарей. [1] [3] [6] Также утверждается, что электролит имеет широкое электрохимическое окно . [18] Конструкция батареи безопаснее, чем у литий-ионных батарей, поскольку в ней не используется легковоспламеняющийся жидкий электролит. [2] Батарея также может быть изготовлена ​​с использованием недорогого натрия вместо лития. [2]

Авторы утверждают, что батарея имеет гораздо более короткое время зарядки, чем литий-ионные батареи — в минутах, а не часах. Авторы также заявляют, что они проверили стабильность интерфейса щелочной металл/электролит в течение 1200 циклов зарядки с низким сопротивлением ячейки; [1] спецификация для литий-ионных батарей обычно составляет менее тысячи. [19] [20]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcd "Изобретатель литий-ионных аккумуляторов представляет новую технологию для быстрой зарядки негорючих аккумуляторов". Новости Техасского университета. 28 февраля 2017 г. Получено 22 марта 2017 г.
  2. ^ abcd Моррис, Дэвид (6 марта 2017 г.). «Lithium-Ion Pioneer представляет новую батарею, которая в три раза лучше». Fortune . Получено 23 марта 2017 г. .
  3. ^ abcd LeVene, Steve (20 марта 2017 г.). «Гений литиевых батарей Джон Гуденаф сделал это снова? Коллеги настроены скептически». Quartz . Получено 21 марта 2017 г.
  4. ^ Tirone, Johnathan (15 марта 2017 г.). «Google's Schmidt Flags Promise in New Goodenough Battery». Bloomberg News . Bloomberg . Получено 21 марта 2017 г. .
  5. ^ "FEUP - Элена Брага".
  6. ^ abcd Braga, MH; Grundish, NS; Murchison, AJ; Goodenough, JB (9 декабря 2016 г.). «Альтернативная стратегия для безопасной перезаряжаемой батареи». Energy & Environmental Science . 10 : 331–336. doi : 10.1039/C6EE02888H .
  7. ^ Сакаи, М. (2023). «Модели катодной реакции для перезаряжаемых батарей Braga-Goodenough Na-ferrocene и Li-MnO2». Журнал электрохимической науки и техники . 13 (4): 687–711. doi : 10.5599/jese.1704 .
  8. ^ "Полная перезагрузка страницы". IEEE Spectrum: Новости технологий, инженерии и науки . 24 февраля 2020 г. Получено 6 марта 2020 г.
  9. ^ "Сильные, высокоионные Li+ электропроводящие, литийнепроницаемые тонколенточные стекловидные твердые электролиты". Advanced Research Projects Agency - Energy . 13 сентября 2016 г. Архивировано из оригинала 27 апреля 2017 г.
  10. ^ Шимковски, Шон. «США присуждают General Motors 2 миллиона долларов за исследования в области твердотельных аккумуляторов». Roadshow . Получено 18 августа 2019 г.
  11. ^ Steingart, Daniel A.; Viswanathan, Venkatasubramanian (17 января 2018 г.). «Комментарий к «Альтернативной стратегии для безопасной перезаряжаемой батареи» MH Braga, NS Grundish, AJ Murchison и JB Goodenough, Energy Environ. Sci., 2017, 10, 331–336». Energy & Environmental Science . 11 (1): 221–222. doi :10.1039/C7EE01318C. ISSN  1754-5706.
  12. ^ "Интервью Slashdot с изобретателем литий-ионных аккумуляторов Джоном Б. Гуденафом - Slashdot". hardware.slashdot.org . 19 апреля 2017 г. . Получено 21 июня 2017 г. .
  13. ^ Steingart, Dan (4 марта 2017 г.). «Redox без Redox». несчастный тетраэдр . Получено 21 июня 2017 г.
  14. ^ «О скептицизме вокруг «батареи Гуденафа» · Мэтт Лейси». lacey.se . 28 марта 2017 г. . Получено 21 июня 2017 г. .
  15. ^ Брага, Мария Елена; М. Субраманиям, Чандрасекар; Мерчисон, Эндрю Дж.; Гуденаф, Джон Б. (24 апреля 2018 г.). «Нетрадиционные, безопасные, высоковольтные перезаряжаемые элементы с длительным сроком службы». Журнал Американского химического общества . 140 (20): 6343–6352. doi :10.1021/jacs.8b02322. PMID  29688709. S2CID  13660262.
  16. ^ abc «Твердотельная литий-ионная батарея — Джон Гуденаф наконец-то это сделал?». CleanTechnica . 26 июня 2018 г. Получено 6 декабря 2018 г.
  17. ^ abcd LeVine, Steve (3 июня 2018 г.). «Пионер в области аккумуляторов представляет новый удивительный прорыв». Axios . Получено 6 декабря 2018 г. .
  18. ^ Braga, MH; Ferreira, JA; Stockhausen, V.; Oliveira, JE; El-Azab, A. (18 марта 2014 г.). «Новые стекла на основе Li3ClO с суперионными свойствами для литиевых батарей». Journal of Materials Chemistry A . 2 (15): 5470–5480. doi :10.1039/c3ta15087a. hdl : 10400.9/2664 . ISSN  2050-7496.
  19. ^ Тим Де Шант, «Сверхбезопасная стеклянная батарея заряжается за минуты, а не часы», NovaNext , 17 марта 2017 г.
  20. ^ Марк Андерсон, «Ускорит ли новая стеклянная батарея конец нефти?», IEEE Spectrum , 3 марта 2017 г.