Naukowcy opracowali innowacyjne podejście do udoskonalenia całkowicie półprzewodnikowych akumulatorów litowych. Ta nowa metoda polega na zastosowaniu unikalnego materiału, który eliminuje potrzebę stosowania dodatkowych dodatków, zwiększając zarówno gęstość energii akumulatora, jak i jego żywotność. Nowy materiał wykazuje imponującą wydajność, pozwalając akumulatorom pracować przez ponad 20 000 cykli przy wysokiej efektywności energetycznej.
Nowa strategia dotycząca całkowicie półprzewodnikowych akumulatorów litowych zwiększa gęstość energii i wydłuża żywotność dzięki zastosowaniu specjalnego materiału, który eliminuje potrzebę stosowania dodatkowych dodatków. To udoskonalenie zapewnia ponad 20 000 cykli wydajnej pracy, co stanowi znaczący krok naprzód w technologii akumulatorów.
Naukowcy z Instytutu Bioenergii i Technologii Bioprocesów w Qingdao (QIBEBT) Chińskiej Akademii Nauk wprowadzili innowacyjną strategię homogenizacji katod dla całkowicie półprzewodnikowych akumulatorów litowych (ASLB) wraz ze współpracownikami z wiodących instytucji międzynarodowych.
To nowe podejście, szczegółowo opisane w artykule opublikowanym dzisiaj (31 lipca) w Energia Naturyznacznie poprawia żywotność cyklu i gęstość energii ASLB, co stanowi ważny postęp w technologii magazynowania energii.
Wyzwania w obecnych ASLB
Obecne ASLB stoją przed wyzwaniami ze względu na heterogeniczne katody kompozytowe, które wymagają elektrochemicznie nieaktywnych dodatków w celu poprawy przewodzenia. Dodatki te, jeśli są konieczne, zmniejszają gęstość energii i żywotność akumulatorów ze względu na ich niekompatybilność z warstwowymi katodami tlenkowymi, które podczas pracy ulegają znacznym zmianom objętości.
Naukowcy opracowali rozwiązanie: strategię homogenizacji katody wykorzystującą materiał o zerowym naprężeniu, Li1,75Ti2(Rdz0,25P0,75S3.8Se0,2)3 (LTG0,25PSSe0,2). Materiał ten wykazuje doskonałą mieszaną przewodność jonową i elektroniczną, zapewniając efektywny transport ładunku w całym procesie (rozładowania) bez konieczności stosowania dodatkowych dodatków przewodzących.
LTG0,25PSSe0,2 materiał wykazuje imponujące wskaźniki wydajności, w tym pojemność właściwą 250 mAh g–1 i minimalna zmiana głośności wynosząca zaledwie 1,2%. Jednorodna katoda wykonana w całości z LTG0,25PSSe0,2 umożliwia ASLB w temperaturze pokojowej osiągnięcie ponad 20 000 cykli stabilnej pracy i wysoką gęstość energii 390 Wh kg−1 na poziomie komórkowym.
Schematyczna ilustracja ewolucji mikrostruktury katody podczas ładowania. (a) konwencjonalna heterogeniczna katoda kompozytowa oraz (b) proponowana homogeniczna katoda o wydajnym przewodnictwie mieszanym. Źródło: QIBEBT
Spostrzeżenia ekspertów na temat nowego podejścia
„Nasza strategia homogenizacji katod stanowi wyzwanie dla konwencjonalnej konstrukcji heterogenicznej katody” – powiedział dr Longfei Cui, współpierwszy autor badania z Centrum Technologii Solid Energy System (SERGY) w QIBEBT. „Eliminując potrzebę stosowania nieaktywnych dodatków, zwiększamy gęstość energii i wydłużamy cykl życia akumulatora”.
„To podejście zmienia reguły gry dla ASLB” – zauważył dr Shu Zhang, współpierwszy autor badania przeprowadzonego przez SERGY. „Połączenie dużej gęstości energii i wydłużonego cyklu życia otwiera nowe możliwości w zakresie przyszłego magazynowania energii”.
Prof. Jiangwei Ju, współautor badania przeprowadzonego przez SERGY, dodał: „Stabilność i parametry użytkowe materiału robią wrażenie, co czyni go silnym kandydatem do zastosowań komercyjnych w pojazdach elektrycznych i wielkoskalowych systemach magazynowania energii”.
Postęp ten jest poparty szeroko zakrojonymi testami i obliczeniami teoretycznymi. Analizy te potwierdzają stabilność elektrochemiczną i mechaniczną jednorodnych katod, nie wykazując żadnych niepożądanych reakcji chemicznych ani znacznego wzrostu rezystancji po długotrwałej pracy cyklicznej.
Szersze implikacje dla magazynowania energii
Oprócz akumulatorów ASLB inne typy akumulatorów, w tym półprzewodnikowe akumulatory sodowe, akumulatory litowo-jonowe, akumulatory litowo-siarkowe, akumulatory sodowo-jonowe i ogniwa paliwowe, również borykają się z wyzwaniami związanymi z elektrodami heterogenicznymi. W systemach tych często występują niezgodności mechanochemiczne i elektrochemiczne, które powodują znaczne wąskie gardła i pogarszają ogólną wydajność baterii.
„Potencjał komercjalizacji ASLB o dużej gęstości energii jest teraz łatwiejszy do osiągnięcia” – dodał prof. Guanglei Cui, kierownik SERGY. „Nasza uniwersalna strategia projektowania wielofunkcyjnych jednorodnych katod może pokonać bariery związane z energią, mocą i żywotnością magazynowania energii, torując drogę do rzeczywistych zastosowań”.
Znaczący kamień milowy w technologii akumulatorów
Strategia ta, podejmując kluczowe wyzwania w zakresie ASLB, kładzie podwaliny pod przyszłe innowacje w technologii magazynowania energii. Zespół planuje dalsze badanie skalowalności LTG0,25PSSe0,2 materiału i jego integracji z praktycznymi systemami baterii.
Praca ta stanowi znaczący kamień milowy w technologii akumulatorów i oferuje obiecujące perspektywy przyszłego rozwoju. Oczekuje się, że innowacyjne podejście zespołu wpłynie na przyszłe badania i rozwój w dziedzinie magazynowania energii, zapewniając solidną podstawę dla następnej generacji akumulatorów o wysokiej wydajności.
Odniesienie: „Strategia homogenizacji katod w celu umożliwienia całkowicie półprzewodnikowych akumulatorów litowych o długiej żywotności” 31 lipca 2024 r., Energia Natury.
DOI: 10.1038/s41560-024-01596-6
