جدید باتری با الکترولیت توسعه یافته در دانشگاه استنفورد ممکن است باعث افزایش عملکرد وسایل نقلیه الکتریکی

جدید لیتیوم-بر اساس الکترولیت اختراع توسط دانشگاه استنفورد می تواند به دانشمندان در هموار کردن راه برای نسل بعدی از باطری وسایل نقلیه الکتریکی.

در یک مطالعه منتشر شده 22 ژوئن در طبیعت انرژیاستنفورد محققان نشان می دهد که چگونه رمان خود را الکترولیت طرح افزایش عملکرد لیتیوم فلزی باتری امیدوار کننده تکنولوژی برای تأمین انرژی الکتریکی و وسایل نقلیه, لپ تاپ و دستگاه های دیگر.

"اکثر اتومبیل های برقی اجرا بر روی باتری های لیتیوم یون که به سرعت در حال نزدیک شدن به حد نظری در چگالی انرژی" گفت: مطالعه همکاری نویسنده Yi Cui استاد علوم و مهندسی مواد و از فوتون علم در SLAC National Accelerator Laboratory. "مطالعه ما متمرکز بر لیتیوم فلزی باتری که سبک تر از باتری های لیتیوم یون و می تواند به طور بالقوه ارائه انرژی بیشتری در هر واحد وزن و حجم."

باتری های لیتیوم یون استفاده می شود در همه چیز از گوشی های هوشمند برای اتومبیل های برقی دارای دو الکترود - یک شارژ مثبت کاتد حاوی لیتیوم و یک شارژ منفی آند معمولا ساخته شده از گرافیت. یک محلول الکترولیت اجازه می دهد تا لیتیوم یون به شاتل به عقب و جلو بین آند و کاتد در زمانی که از باتری استفاده می شود و زمانی که آن را شارژ.

لیتیوم فلزی باتری می تواند نگه دارید در مورد برق دو برابر در هر کیلوگرم به امروز متداول لیتیوم-یون باتری. لیتیوم فلزی باتری انجام این کار با جایگزین کردن گرافیت آند با لیتیوم فلزی که می تواند به طور قابل توجهی بیشتر انرژی است.

"لیتیوم فلزی باتری بسیار امیدوار کننده برای وسایل نقلیه الکتریکی که در آن وزن و حجم یک نگرانی بزرگ" گفت: مطالعه همکاری نویسنده Zhenan Bao, K. K. Lee استاد در دانشکده فنی و مهندسی. "اما در عمل لیتیوم فلز آند در واکنش با مایع الکترولیت. این باعث می شود که رشد لیتیوم microstructures به نام دندریت ها در سطح آند که می تواند باتری به آتش گرفتن و شکست است."

محققان دهه را صرف تلاش برای رسیدگی به سنگ درخت وار مشکل است.

"الکترولیت شده است پاشنه آشیل لیتیوم فلزی باتری" گفت: شرکت سرب نویسنده Zhiao یو, یک دانشجوی کارشناسی ارشد در رشته شیمی. "ما در مطالعه ما با استفاده از شیمی آلی به منطقی طراحی و ایجاد ثبات الکترولیت این باتری."

برای مطالعه یو و همکارانش به بررسی اینکه آیا آنها می تواند رسیدگی به مسائل مربوط به ثبات با یک مشترک تجاری در دسترس مایع الکترولیت.

"ما فرض است که با اضافه کردن فلوئور اتم بر روی الکترولیت مولکول را به مایع بیشتر پایدار" یو گفت. "فلوئور به طور گسترده ای استفاده می شود عنصر در الکترولیت برای باتری های لیتیوم. ما با استفاده از توانایی خود را برای جذب الکترون به ایجاد یک مولکول جدید که اجازه می دهد تا لیتیوم فلز آند به عملکرد خوب در الکترولیت."

نتیجه این شد یک رمان مصنوعی ترکیب به صورت مختصر FDMB که می تواند به آسانی تولید شده به صورت فله.

"الکترولیت طرح در حال گرفتن بسیار عجیب و غریب" بائو گفت. "برخی از نشان داده اند وعده خوبی است اما بسیار گران قیمت برای تولید. این FDMB مولکول که Zhiao آمد تا با آسان به را در مقدار زیادی و بسیار ارزان است."

استنفورد تیم آزمایش جدید الکترولیت در باتری لیتیوم فلزی باتری.

نتایج چشمگیر است. تجربی باتری حفظ 90 درصد از شارژ اولیه آن پس از 420 چرخه شارژ و تخلیه. در آزمایشگاه های معمولی لیتیوم فلزی باتری متوقف کردن کار بعد از حدود 30 چرخه.

محققان همچنین اندازه گیری جابجایی لیتیوم یون های منتقل شده بین آند و کاتد در طول شارژ و تخلیه ملک به عنوان شناخته شده "coulombic بهره وری است."

"اگر شما شارژ 1,000 لیتیوم یون چگونه بسیاری از شما پس از تخلیه شما?" Cui گفت. "در حالت ایده آل شما می خواهید به 1000 از 1000 دلار برای یک coulombic راندمان 100 درصد است. به صورت تجاری قابل دوام باتری تلفن همراه نیاز به یک coulombic بهره وری از حداقل 99.9 درصد است. در مطالعه ما ما رو 99.52 درصد در نیم سلول و 99.98 درصد در سلولهای; باور نکردنی عملکرد."

برای استفاده بالقوه در لوازم الکترونیکی مصرفی استنفورد تیم همچنین آزمایش FDMB الکترولیت در آند-رایگان لیتیوم فلزی کیسه سلول های تجاری در دسترس باتری با کاتد که عرضه لیتیوم به آند.

"ایده این است که تنها با استفاده از لیتیوم در سمت کاتد برای کاهش وزن" گفت: شرکت سرب نویسنده هانسن وانگ دانشجوی کارشناسی ارشد در علم مواد و مهندسی. "آند-رایگان باتری زد 100 چرخه قبل از ظرفیت آن کاهش یافته و به 80 درصد - نه به عنوان خوب به عنوان معادل باتری لیتیوم یون است که می تواند برای 500 تا 1000 چرخه اما هنوز هم یکی از بهترین انجام آند-سلول آزاد است."

"این نتایج نشان می دهد وعده برای طیف گسترده ای از دستگاه های" بائو اضافه شده است. "سبک آند-رایگان باتری خواهد شد ویژگی های جذاب برای هواپیماهای بدون سرنشین و بسیاری از دیگر لوازم الکترونیکی مصرفی است."

U. s. Department of Energy (DOE) است بودجه زیادی کنسرسیوم تحقیقاتی به نام Battery500 را لیتیوم فلزی باتری مناسب که اجازه می دهد تولید کنندگان ماشین برای ساخت فندک برقی وسایل نقلیه است که می تواند درایو بسیار طولانی فاصله بین اتهامات عنوان شده علیه. این مطالعه با پشتیبانی در قسمت توسط یک کمک مالی از این کنسرسیوم که شامل استنفورد و SLAC.

بهبود آند, الکترولیت ها و دیگر اجزای Battery500 هدف نزدیک به سه برابر مقدار برق که لیتیوم فلزی باتری می تواند در ارائه و از حدود 180 وات-ساعت در هر کیلوگرم و زمانی که برنامه آغاز شده و در سال 2016 به 500 وات ساعت در هر کیلوگرم بود. انرژی بالاتر به نسبت وزن و یا "خاص انرژی" است که کلید حل این محدوده اضطراب است که پتانسیل الکتریکی خودرو خریداران اغلب.

"آند-رایگان باتری در آزمایشگاه ما زمانی حدود 325 وات ساعت در هر کیلوگرم خاص انرژی محترم شماره" Cui گفت. "گام بعدی ما می تواند به کار مشترک با محققان دیگر در Battery500 به ساخت سلول است که رویکرد کنسرسیوم هدف از 500 وات ساعت در هر کیلوگرم بود."

در علاوه بر این به دیگر چرخه زندگی بهتر و ثبات FDMB الکترولیت نیز به مراتب کمتر قابل اشتعال از متعارف الکترولیت.

"مطالعه ما اساسا فراهم می کند یک طرح اصل است که مردم می توانند تقاضای خود را به آمده تا با بهتر الکترولیت" بائو اضافه شده است. "ما فقط نشان داد یک مثال وجود دارد اما بسیاری از امکانات دیگر."

###

دیگر استنفورد نویسندگان شامل جیان شین استادیار مهندسی شیمی; فوق دکتری دانشمندان شیان کنگ Kecheng وانگ Wenxiao هوانگ Snehashis Choudhury و Chibueze Amanchukwu; دانشجویان تحصیلات تکمیلی ویلیام هوانگ Yuchi Tsao دیوید Mackanic یو ژنگ و سامانتا آویزان; و دانشجویان Yuting کارشناسی ارشد و ادر Lomeli. Xinchang وانگ از Xiamen University همچنین همکاری نویسنده است. Zhenan بائو و Yi Cui ارشد بورسیه در دانشگاه استنفورد را Precourt موسسه انرژی است. Cui نیز محقق اصلی در استنفورد پژوهشکده مواد و انرژی, علم مشترک SLAC/تحقیقات استنفورد برنامه.

این کار نیز پشتیبانی توسط باتری مواد برنامه پژوهش در سازمان حفاظت محیط زیست از فن آوری های فضایی. تسهیلات مورد استفاده در دانشگاه استنفورد است که با حمایت بنیاد ملی علوم.