Очаква се гумата да замени традиционните материали, за да стане ключов материал за следващото поколение твърдотелни батерии

2022-05-09

За да станат масови електрическите превозни средства (EV), те се нуждаят от рентабилни, по-безопасни и по-дълготрайни батерии, които не експлодират и не вредят на околната среда по време на употреба. Изследователи от Технологичния институт на Джорджия може би са открили обещаваща алтернатива на конвенционалните литиево-йонни батерии:каучук.

Еластомерите или синтетичният каучук са широко използвани в потребителски продукти и модерни технологии като носима електроника и меки роботи поради техните превъзходни механични свойства. Изследователите открили, че когато материалът е формулиран в 3D структура, той действа като супермагистрала за бърз транспорт на литиеви йони, с превъзходна механична здравина, която позволява на батериите да се зареждат по-дълго и да отиват по-далеч. Изследването е проведено в сътрудничество с Корейския напреднал институт за наука и технологии и е публикувано в списание Nature.

В конвенционалната литиево-йонна батерия йоните се задвижват от течен електролит. Такива батерии обаче по своята същност са нестабилни: дори и най-малката повреда може да изтече в електролитите, което да доведе до експлозия или пожар. Съображенията за безопасността принудиха индустрията да се съсредоточи върху твърдотелни батерии, които могат да бъдат направени от неорганични керамични материали или органични полимери.
„Повечето индустрии са фокусирани върху изграждането на неорганични твърди електролити. Но те са трудни за производство, скъпи и не са екологични“, казва Seung Woo Lee, доцент в Училището по механично инженерство Джордж У. Удръф, който е бил част от изследователски екип които откриха, че органичен полимер на основата на каучук превъзхожда другите материали. Твърдите полимерни електролити продължават да привличат голям интерес поради ниската си производствена цена, нетоксичните и меки свойства. Въпреки това, конвенционалните полимерни електролити нямат достатъчна йонна проводимост и механична стабилност, за да осигурят надеждна работа на твърдотелни батерии.
Новият 3d дизайн носи скок в енергийната плътност и производителност
Използвани инженери от Georgia Techкаучукелектролити за решаване на общи проблеми (бавен транспорт на литиеви йони и лоши механични свойства). Ключовият пробив беше да се позволи на материалите да образуват триизмерни (3D) взаимосвързани пластмасови кристални фази в здрава гумена матрица. Тази уникална структура осигурява висока йонна проводимост, отлични механични свойства и електрохимична стабилност.
Гуменият електролит може да бъде направен при ниски температури, като се използва прост процес на полимеризация, който произвежда твърд и гладък интерфейс върху повърхността на електрода. Тези уникални свойства на каучуковия електролит предотвратяват растежа на литиеви дендрити и позволяват по-бързо движение на йони, което позволява на твърдотелните батерии да работят надеждно дори при стайна температура.
Каучук, използван навсякъде заради високите си механични свойства, ще ни позволи да произвеждаме по-евтини, по-надеждни и по-безопасни батерии. По-високата йонна проводимост означава, че можете да премествате повече йони едновременно и като увеличите специфичната енергия и енергийната плътност на тези батерии, можете да увеличите обхвата на електрическото превозно средство.

Сега изследователите работят върху начини за подобряване на производителността на батерията, увеличаване на нейния цикъл и намаляване на времето за зареждане чрез по-добра йонна проводимост. Досега усилията им са довели до две подобрения в производителността/времето на цикъла на батерията.

Тази работа може да подобри репутацията на Грузия като иновационен център за електрически превозни средства. SK Innovation, глобална енергийна и нефтохимическа компания, финансира допълнителни изследвания на електролитни материали като част от текущото си сътрудничество с Института за изграждане на твърдотелни батерии от следващо поколение, които са по-безопасни и по-енергийно интензивни от традиционните литиево-йонни батерии. SK Innovation наскоро обяви изграждането на нов завод за акумулатори за електрически превозни средства в Комерс, Джорджия, който се очаква да произвежда 21,5 гигаватчаса литиево-йонни батерии годишно до 2023 г.
Изцяло твърдотелните батерии биха могли значително да подобрят пробега и безопасността на електрическите превозни средства. Бързо развиващите се компании за батерии, включително SK Innovation, виждат комерсиализацията на изцяло твърдотелни батерии като промяна на играта за пазара на EV. Kyounghwan Choi, директор на Центъра за изследване на батериите от следващо поколение на SK Innovation, каза: „Има големи надежди за бързото приложение и комерсиализацията на изцяло твърдотелни батерии чрез текущия проект в сътрудничество със SK Innovation и професор Seung Woo Lee от Georgia Institute на технологиите."