Архитектура. Инженерия. Цифровизация. Экология» пройдет в...


Экономичное решение для бытовой электроники следующего поколения, электромобилей и электросетей

Ученые находятся в постоянном поиске лучшей литий-ионной батареи, которая сможет поддерживать работу мобильного телефона в течение нескольких дней, увеличит ассортимент электромобилей и будет максимально экономить энергию из сети, но недавнее исследование, проведенное Canadian Light Source (CLS), учеными из Национального исследовательского совета Канады (NRC) показали, что ответ можно найти в химии.

«Исследователи пробовали все на инженерном уровне, чтобы улучшить батареи, – сказал доктор Ясер Абу-Лебде (Dr. Yaser Abu-Lebdeh), старший научный сотрудник NRC, – но для повышения их работоспособности необходимо заниматься химией материалов».

Литиевые батареи имеют электроды, состоящие из графита и связующего, называемого поливинилидендифторидом (PVDF), объяснил Абу-Лебде, который работал с коллегами NRC и учеными из CLS над исследованием. Кремний имеет в 10 раз больше литиевой вместимости, чем графит, поэтому основное внимание уделяется созданию композитного электрода из кремния и графита.

Это, по-видимому, является основным путем увеличения плотности энергии перезаряжаемых литиево-ионных батарей, но кремниевые композитные батареи очень быстро теряют мощность во время езды на велосипеде; после пяти циклов их мощность становится даже ниже, чем у простых батарей с графитовыми электродами, даже при небольшом количестве кремния в композитах.

«Проект был бы очень сложным, если бы не возможность CLS наблюдать структурную химию на наноуровне», – говорит Джианг Чжоу (Jigang Zhou), эксперт исследовательской группы по аккумуляторам.

Команда использовала несколько технологий NRC и CLS, включая электрохимические испытания, сканирующую электронную микроскопию и рентгеновскую спектроскопию, для разработки метода исследования новой батареи, который демонстрирует химию на поверхности батареи. Этот метод можно использовать для исследований в различных перезаряжаемых батареях, над которыми работает Чжоу.

«Для меня истинная красота заключается в том, что этот новый исследовательский метод – это путь к пониманию многих вопросов, связанных с исследованиями батарей», – говорит Чжоу.

Команда применила свою технику, чтобы понять, почему даже небольшое количество кремния, в сочетании с графитом и связующим, приводило к деградации батарей. Проблема, как они обнаружили, заключалась в разложении связующего PVDF во время циклирования батареи, что происходило только с графитовыми электродами, несмотря на хорошие характеристики батареи.

Результаты исследования, опубликованные Американским химическим обществом в интернете в открытм доступе, дают руководство по разработке более подходящих связующих для композитных графито-кремниевых электродов, новых полимеров, которые не оказывают неблагоприятного химического влияния на другие компоненты, и дают возможность возможность увеличить емкость аккумулятора, используя кремний.

Абу-Лебде ждет появления нового связующего, что должно привести к постепенному увеличению содержания кремния в электроде до 20%. В результате, должны получится батареи с более высокой плотностью энергии, в три раза превышающие, батареи с графитовыми  электродами. Добавление кремния, увеличивает емкость аккумулятора, он не увеличивает его стоимость, если технология будет интегрирована в текущие производственные процессы.

Данное исследователей может быть очень важным для индустрии литий-ионных батарей, которая работает над экономичными решениями для бытовой электроники следующего поколения, электромобилями и хранилищами энергии для электрических сетей.

 

econet.ru


03.12.2018