Studiul sărurilor geme nereglementate duce la descoperiri în domeniul bateriilor Știri MIT

În ultimul deceniu, sarea gemă haotică a fost studiată ca un potențial material catod pentru utilizarea în bateriile cu ioni de litiu și o cheie pentru crearea de stocare la costuri reduse și de mare energie pentru orice, de la telefoane mobile la vehicule electrice până la stocarea energiei regenerabile.

Un nou studiu realizat de Institutul de Tehnologie din Massachusetts confirmă că materialul își îndeplinește această promisiune.

Condusă de Joe Li, profesor de inginerie nucleară și profesor de știință și inginerie a materialelor la Tokyo Electric Power Company, o echipă de cercetători a descris o nouă clasă de catod de sare gemă parțial neregulată integrată cu polianioni – numită polianion spinel de sare gemă neregulată sau DRXPS — Care oferă o densitate mare de putere la tensiune înaltă, cu o stabilitate a ciclului mult îmbunătățită.

„Există, de obicei, un echilibru între densitatea energiei și stabilitatea ciclului în materialele catodice… Cu această lucrare, ne propunem să „împingem granițele prin proiectarea de noi chimie catodice”. O lucrare care descrie lucrarea este publicată astăzi în Energia naturii„Această familie de materiale are o densitate mare de energie și o stabilitate bună a ciclului, deoarece combină două tipuri principale de materiale catodice, sare gemă și peridot polianionic, deci are beneficiile ambelor.”

Cel mai important, adaugă Lee, noua familie de materiale constă în principal din mangan, un element abundent în Pământ, care este semnificativ mai puțin costisitor decât elemente precum nichelul și cobaltul, care sunt utilizate în mod obișnuit în catozi astăzi.

„Manganul este de cel puțin cinci ori mai ieftin decât nichelul și de aproximativ 30 de ori mai ieftin decât cobaltul”, spune Lee, „Manganul este, de asemenea, una dintre cheile pentru a obține densități mai mari de energie, așa că a avea acest material în abundență în pământ este un lucru uriaș. avantaj.”

O cale potențială pentru infrastructura de energie regenerabilă

Acest avantaj va fi esențial, scriu Lee și colegii săi, în timp ce lumea caută să construiască infrastructura de energie regenerabilă necesară pentru un viitor cu emisii scăzute sau zero de carbon.

Bateriile sunt o parte deosebit de importantă a acestei imagini, nu numai datorită potențialului lor de a decarboniza transportul cu mașini electrice, autobuze și camioane, ci și pentru că vor fi necesare pentru a rezolva problemele de intermitență în energia eoliană și solară prin stocarea excesului de energie, apoi revenirea. la rețea noaptea sau în zilele liniștite, când generația regenerabilă este scăzută.

Având în vedere costul ridicat și raritatea relativă a materialelor precum cobaltul și nichelul, scriu cercetătorii, eforturile de a crește rapid capacitatea de stocare a energiei electrice vor duce probabil la creșteri semnificative ale costurilor și, potențial, la lipsuri semnificative de materiale.

„Dacă dorim să obținem o electrificare adevărată în generarea de energie, transport etc., avem nevoie de baterii abundente la nivelul solului pentru a stoca energia fotovoltaică și eoliană intermitentă”, spune Lee, „Cred că acesta este un pas către realizarea acestui vis”.

Gerbrand Seder, șeful departamentului de cercetare în nanoștiință și nanotehnologie la Samsung și profesor de știință și inginerie a materialelor la UC Berkeley, a împărtășit această opinie.

„Bateriile litiu-ion sunt o parte esențială a tranziției către energie curată. Creșterea lor continuă și scăderea prețurilor depind de dezvoltarea materialelor catodice de înaltă performanță, ieftine, fabricate din materiale abundente pe Pământ, așa cum se demonstrează în această lucrare”, spune Sider.

Depășirea obstacolelor din materialele existente

Noul studiu abordează una dintre provocările majore cu care se confruntă catozii neregulați de sare gemă – mișcarea oxigenului.

Deși aceste materiale sunt cunoscute de mult timp pentru capacitatea lor de a oferi o capacitate foarte mare – până la 350 mAh pe gram – în comparație cu materialele catodice tradiționale, care au de obicei o capacitate între 190 și 200 mAh pe gram, nu sunt foarte stabile.

Procesul redox cu oxigen contribuie parțial la creșterea capacității, care este activată atunci când catodul este încărcat cu o tensiune ridicată. Dar atunci când se întâmplă acest lucru, oxigenul devine mobil, provocând reacții cu electrolitul și degradarea materialului, făcându-l în cele din urmă inutil după un ciclu lung.

Pentru a depăși aceste provocări, Huang a adăugat un alt element – ​​fosforul – care acționează în esență ca un lipici, ținând oxigenul în loc pentru a atenua descompunerea.

„Principala inovație aici și teoria din spatele designului este că Yiming a adăugat doar cantitatea potrivită de fosfor și a format ceea ce se numesc poliioni cu atomii de oxigen învecinați, într-o structură de sare gemă lipsită de cationi care i-ar putea stabiliza.” spune Li. „Acest lucru ne permite să oprim transportul oxigenului care scăpa din cauza legăturii covalente puternice dintre fosfor și oxigen… ceea ce înseamnă că putem folosi capacitatea de oxigen, dar, de asemenea, putem obține o stabilitate bună.”

Capacitatea de a încărca bateriile la tensiuni mai mari este crucială, deoarece permite sistemelor mai simple să gestioneze energia pe care o stochează, spune Lee.

„Putem spune că calitatea energiei este mai mare”, spune el. „Cu cât este mai mare tensiunea pe celulă, cu atât este mai puțină nevoie să le conectați în serie în acumulatorul și cu atât sistemul de gestionare a bateriei devine mai simplu.”

Arătând calea pentru studii viitoare

În timp ce materialul catodic descris în studiu poate avea un impact transformator asupra tehnologiei bateriilor cu litiu-ion, există încă multe căi pentru studii viitoare.

Un domeniu de studiu viitor, spune Huang, este eforturile de a explora noi modalități de fabricare a materialelor, în special în ceea ce privește considerentele de formă și scalabilitate.

„În prezent, folosim frezarea cu bile de mare energie pentru sinteza mecanochimică și… forma rezultată este neuniformă și are o dimensiune medie mică a particulei (aproximativ 150 nm). Această metodă nu este, de asemenea, complet scalabilă”, spune el. „Încercăm să obținem o formă mai uniformă, cu dimensiuni mai mari ale particulelor, folosind unele metode alternative de sinteză, care ne vor permite să creștem densitatea de energie volumetrică a materialului și ne pot permite să explorăm unele metode de acoperire… care ar putea îmbunătăți și mai mult bateria. Desigur, ar trebui să fie „Metodele viitoare sunt scalabile din punct de vedere industrial”.

El spune că materialul salitr nestructurat nu este un bun conductor în sine, așa că se adaugă cantități mari de carbon – până la 20 la sută din greutatea pastei catodice – pentru a-i îmbunătăți conductivitatea. Dacă echipa poate reduce conținutul de carbon al electrodului fără a sacrifica performanța, va exista un conținut mai mare de material activ în baterie, rezultând o densitate practică de energie mai mare.

„În această lucrare, am folosit doar Super P, care este un carbon conductor tipic compus din nanosfere, dar nu este foarte eficient”, spune Huang, „Explorăm acum utilizarea nanotuburilor de carbon, care pot reduce conținutul de carbon doar 1 sau 2% din greutate, ceea ce ne-ar putea permite să creștem semnificativ cantitatea de material catodic activ.”

Pe lângă reducerea conținutului de carbon, realizarea de electrozi mai groși este o altă modalitate de a crește densitatea de energie practică a unei baterii, adaugă el. Acesta este un alt domeniu de cercetare la care lucrează echipa.

„Acesta este doar începutul cercetării DRXPS, deoarece am explorat doar câteva dintre substanțele chimice din spațiul său compozițional vast”, adaugă el „Ne putem juca cu diferite proporții de litiu, mangan, fosfor și oxigen și cu diferite combinații. a altor elemente poliionice precum bor, siliciu și sulf.”

El spune că datorită compozițiilor îmbunătățite, metodelor de montare mai scalabile, unei forme mai bune care permite acoperiri uniforme, conținut mai scăzut de carbon și electrozi mai groși, familia de catozi DRXPS este foarte promițătoare în aplicațiile de stocare a vehiculelor electrice și în rețea și poate chiar și în consumatori. electronică, unde densitatea Energia volumetrică este foarte importantă.

Această lucrare a fost susținută de finanțare de la Institutul de Cercetare Honda din SUA și de la Molecular Foundry de la Laboratorul Național Lawrence Berkeley și a folosit resurse de la Sursa Națională de Lumină Sincrotron II de la Laboratorul Național Brookhaven și Sursa de Fotoni Avansat de la Laboratorul Național Argonne.