ຂ່າວອຸດສາຫະກໍາ

ການອອກແບບ electrode ໃຫມ່ອາດຈະນໍາໄປສູ່ຫມໍ້ໄຟທີ່ມີປະສິດທິພາບຫຼາຍ

2021-11-03




ທີມງານ MIT ໄດ້ອອກແບບ anode ໂລຫະ lithium ທີ່ສາມາດປັບປຸງອາຍຸຍືນແລະຄວາມຫນາແຫນ້ນຂອງພະລັງງານຂອງຫມໍ້ໄຟໃນອະນາຄົດ.

 

ການຄົ້ນຄວ້າໃຫມ່ໂດຍວິສະວະກອນຢູ່ MIT ແລະບ່ອນອື່ນໆສາມາດນໍາໄປສູ່ແບດເຕີຣີທີ່ສາມາດບັນຈຸພະລັງງານຫຼາຍຕໍ່ປອນແລະໃຊ້ໄດ້ດົນກວ່າ, ໂດຍອີງໃສ່ເປົ້າຫມາຍທີ່ຊອກຫາມາດົນນານໃນການນໍາໃຊ້ໂລຫະ lithium ບໍລິສຸດເປັນຫນຶ່ງໃນສອງ electrodes ຂອງຫມໍ້ໄຟ, anode.

 

ແນວຄວາມຄິດຂອງ electrode ໃຫມ່ແມ່ນມາຈາກຫ້ອງທົດລອງຂອງ Ju Li, ສາດສະດາຈານ Battale Energy Alliance ຂອງວິທະຍາສາດດ້ານນິວເຄຼຍແລະວິສະວະກໍາແລະອາຈານຂອງວິທະຍາສາດວັດສະດຸແລະວິສະວະກໍາ. ມັນໄດ້ຖືກອະທິບາຍໃນມື້ນີ້ໃນວາລະສານທໍາມະຊາດ, ໃນເອກະສານທີ່ຂຽນຮ່ວມກັນໂດຍ Yuming Chen ແລະ Ziqiang Wang ທີ່ MIT, ພ້ອມກັບ 11 ຄົນອື່ນໆທີ່ MIT ແລະໃນຮ່ອງກົງ, Florida, ແລະ Texas.

 

ການອອກແບບດັ່ງກ່າວເປັນສ່ວນໜຶ່ງຂອງແນວຄວາມຄິດໃນການພັດທະນາແບັດເຕີລີທັງໝົດທີ່ປອດໄພ, ການແຈກຈ່າຍດ້ວຍຂອງແຫຼວ ຫຼື ເຈລໂພລີເມີເມີ ທີ່ໃຊ້ເປັນວັດສະດຸ electrolyte ລະຫວ່າງສອງ electrodes ຂອງແບດເຕີຣີ້. electrolyte ອະນຸຍາດໃຫ້ lithium ion ເດີນທາງກັບຄືນໄປມາໃນລະຫວ່າງວົງຈອນການສາກໄຟແລະການປ່ອຍອອກຂອງຫມໍ້ໄຟ, ແລະສະບັບພາສາແຂງທັງຫມົດອາດຈະປອດໄພກ່ວາ electrolytes ຂອງແຫຼວ, ເຊິ່ງມີການລະເຫີຍສູງແລະເປັນແຫຼ່ງຂອງການລະເບີດໃນຫມໍ້ໄຟ lithium.

 

"ໄດ້ມີການເຮັດວຽກຫຼາຍກ່ຽວກັບຫມໍ້ໄຟຂອງລັດແຂງ, ມີ electrodes ໂລຫະ lithium ແລະ electrolytes ແຂງ," Li ເວົ້າວ່າ, ແຕ່ຄວາມພະຍາຍາມເຫຼົ່ານີ້ໄດ້ປະເຊີນກັບບັນຫາຈໍານວນຫນຶ່ງ.

 

ຫນຶ່ງໃນບັນຫາທີ່ໃຫຍ່ທີ່ສຸດແມ່ນວ່າເມື່ອຫມໍ້ໄຟຖືກສາກໄຟ, ປະລໍາມະນູສະສົມຢູ່ໃນໂລຫະ lithium, ເຮັດໃຫ້ມັນຂະຫຍາຍອອກ. ຫຼັງຈາກນັ້ນ, ໂລຫະຈະຫົດຕົວອີກເທື່ອຫນຶ່ງໃນລະຫວ່າງການປ່ອຍ, ເນື່ອງຈາກຫມໍ້ໄຟຖືກນໍາໃຊ້. ການປ່ຽນແປງຊ້ຳໆເຫຼົ່ານີ້ຢູ່ໃນຂະໜາດຂອງໂລຫະ, ຄ້າຍຄືກັບຂະບວນການຫາຍໃຈເຂົ້າ ແລະ ຫາຍໃຈອອກ, ເຮັດໃຫ້ມັນຍາກສໍາລັບຂອງແຂງທີ່ຈະຮັກສາການຕິດຕໍ່ຄົງທີ່, ແລະມັກຈະເຮັດໃຫ້ electrolyte ຂອງແຂງແຕກຫັກຫຼືແຍກອອກ.

 

ບັນຫາອີກຢ່າງຫນຶ່ງແມ່ນວ່າບໍ່ມີ electrolytes ແຂງທີ່ສະເຫນີແມ່ນມີຄວາມຫມັ້ນຄົງທາງເຄມີຢ່າງແທ້ຈິງໃນຂະນະທີ່ຕິດຕໍ່ກັບໂລຫະ lithium ທີ່ມີປະຕິກິລິຍາສູງ, ແລະພວກມັນມັກຈະຊຸດໂຊມຕາມເວລາ.

 

ຄວາມພະຍາຍາມສ່ວນໃຫຍ່ເພື່ອເອົາຊະນະບັນຫາເຫຼົ່ານີ້ໄດ້ສຸມໃສ່ການອອກແບບວັດສະດຸ electrolyte ແຂງທີ່ມີຄວາມຫມັ້ນຄົງຢ່າງແທ້ຈິງຕໍ່ກັບໂລຫະ lithium, ເຊິ່ງກາຍເປັນຄວາມຫຍຸ້ງຍາກ. ແທນທີ່ຈະ, Li ແລະທີມງານຂອງລາວໄດ້ຮັບຮອງເອົາການອອກແບບທີ່ຜິດປົກກະຕິທີ່ນໍາໃຊ້ສອງຊັ້ນຂອງແຂງເພີ່ມເຕີມ, “mixed ionic-electronic conductors†(MIEC) ແລະ “electron ແລະ Li-ion insulators†(ELI), ຢ່າງແທ້ຈິງ. ມີຄວາມຫມັ້ນຄົງທາງເຄມີໃນການຕິດຕໍ່ກັບໂລຫະ lithium.

 

ນັກຄົ້ນຄວ້າໄດ້ພັດທະນາສະຖາປັດຕະຍະກໍານາໂນສາມມິຕິໃນຮູບແບບຂອງອາເລຄ້າຍຄື Honeycomb ຂອງທໍ່ MIEC hexagonal, ບາງສ່ວນ infused ກັບໂລຫະ lithium ແຂງເພື່ອປະກອບເປັນ electrode ຫນຶ່ງຂອງຫມໍ້ໄຟ, ແຕ່ມີຊ່ອງຫວ່າງເພີ່ມເຕີມພາຍໃນແຕ່ລະທໍ່. ເມື່ອ lithium ຂະຫຍາຍຢູ່ໃນຂະບວນການສາກໄຟ, ມັນຈະໄຫລເຂົ້າໄປໃນພື້ນທີ່ຫວ່າງຢູ່ໃນທໍ່ພາຍໃນ, ເຄື່ອນຍ້າຍຄືກັບຂອງແຫຼວເຖິງແມ່ນວ່າມັນຮັກສາໂຄງສ້າງຂອງຜລຶກແຂງຂອງມັນ. ການໄຫຼນີ້, ຈໍາກັດທັງຫມົດພາຍໃນໂຄງສ້າງ Honeycomb, ບັນເທົາຄວາມກົດດັນຈາກການຂະຫຍາຍທີ່ເກີດຈາກການສາກໄຟ, ແຕ່ໂດຍບໍ່ມີການປ່ຽນຂະຫນາດພາຍນອກຂອງ electrode ຫຼືຂອບເຂດລະຫວ່າງ electrode ແລະ electrolyte. ວັດສະດຸອື່ນໆ, ELI, ເຮັດຫນ້າທີ່ເປັນຕົວຍຶດກົນຈັກທີ່ສໍາຄັນລະຫວ່າງຝາ MIEC ແລະຊັ້ນ electrolyte ແຂງ.

 

"ພວກເຮົາໄດ້ອອກແບບໂຄງສ້າງນີ້ທີ່ເຮັດໃຫ້ພວກເຮົາມີ electrodes ສາມມິຕິລະດັບ, ຄ້າຍຄື Honeycomb," Li ເວົ້າວ່າ. ຊ່ອງຫວ່າງຢູ່ໃນແຕ່ລະທໍ່ຂອງໂຄງສ້າງເຮັດໃຫ້ lithium ເຂົ້າໄປໃນທໍ່, ແລະດ້ວຍວິທີນັ້ນ, ມັນບໍ່ສ້າງຄວາມກົດດັນທີ່ຈະແຕກ electrolyte ແຂງ. ແລະການເຮັດສັນຍາ lithium ພາຍໃນທໍ່ເຫຼົ່ານີ້ເຄື່ອນເຂົ້າແລະອອກ, ຄ້າຍຄືລູກສູບຂອງເຄື່ອງຈັກໃນລົດຢູ່ໃນກະບອກສູບຂອງພວກເຂົາ. ເນື່ອງຈາກວ່າໂຄງສ້າງເຫຼົ່ານີ້ຖືກສ້າງຂຶ້ນໃນຂະຫນາດ nanoscale (ທໍ່ມີເສັ້ນຜ່າກາງປະມານ 100 ຫາ 300 nanometers, ແລະຄວາມສູງຫຼາຍສິບໄມໂຄຣນ), ຜົນໄດ້ຮັບແມ່ນຄ້າຍຄືເຄື່ອງຈັກທີ່ມີ 10 ຕື້ pistons, ມີໂລຫະ lithium ເປັນນ້ໍາເຮັດວຽກ, †Li ເວົ້າວ່າ.

 

ຍ້ອນວ່າຝາຂອງໂຄງສ້າງຄ້າຍຄື Honeycomb ເຫຼົ່ານີ້ແມ່ນເຮັດດ້ວຍ MIEC ທີ່ມີຄວາມຫມັ້ນຄົງທາງເຄມີ, lithium ບໍ່ເຄີຍສູນເສຍການຕິດຕໍ່ໄຟຟ້າກັບວັດສະດຸ, Li ເວົ້າວ່າ. ດັ່ງນັ້ນ, ແບດເຕີລີ່ແຂງທັງຫມົດສາມາດຄົງຕົວທາງດ້ານກົນຈັກແລະທາງເຄມີຍ້ອນວ່າມັນຜ່ານຮອບວຽນຂອງການນໍາໃຊ້. ທີມ​ງານ​ໄດ້​ພິ​ສູດ​ແນວ​ຄວາມ​ຄິດ​ໃນ​ການ​ທົດ​ລອງ​, ການ​ວາງ​ອຸ​ປະ​ກອນ​ທົດ​ສອບ​ໂດຍ​ຜ່ານ 100 ຮອບ​ວຽນ​ຂອງ​ການ​ສາກ​ໄຟ​ແລະ​ການ​ປົດ​ປ່ອຍ​ໂດຍ​ບໍ່​ມີ​ການ​ຜະ​ລິດ​ຂອງ​ແຂງ​ແຕກ​ຫັກ​ໃດໆ​.

 

 

ແຜ່ນໂລຫະ Li Reversible ແລະລອກເອົາໃນທໍ່ກາກບອນທີ່ມີເສັ້ນຜ່າກາງພາຍໃນ 100nm. ມາລະຍາດຂອງນັກຄົ້ນຄວ້າ.

 

Li ເວົ້າວ່າເຖິງແມ່ນວ່າຫຼາຍກຸ່ມອື່ນໆກໍາລັງເຮັດວຽກກ່ຽວກັບສິ່ງທີ່ເຂົາເຈົ້າເອີ້ນວ່າຫມໍ້ໄຟແຂງ, ຕົວຈິງແລ້ວຂອງລະບົບເຫຼົ່ານີ້ເຮັດວຽກທີ່ດີກວ່າກັບ electrolyte ແຫຼວບາງປະສົມກັບວັດສະດຸ electrolyte ແຂງ. "ແຕ່ໃນກໍລະນີຂອງພວກເຮົາ," ລາວເວົ້າວ່າ, "ມັນແຂງແທ້ໆ. ບໍ່ມີຂອງແຫຼວຫຼືເຈນຢູ່ໃນມັນຂອງປະເພດໃດ.â€

 

ລະບົບໃຫມ່ສາມາດນໍາໄປສູ່ anodes ທີ່ປອດໄພທີ່ມີນໍ້າຫນັກພຽງແຕ່ຫນຶ່ງສ່ວນສີ່ເທົ່າກັບຄູ່ຮ່ວມງານທໍາມະດາຂອງພວກເຂົາໃນຫມໍ້ໄຟ lithium-ion, ສໍາລັບປະລິມານການເກັບຮັກສາດຽວກັນ. ຖ້າປະສົມປະສານກັບແນວຄວາມຄິດໃຫມ່ສໍາລັບລຸ້ນທີ່ມີນ້ໍາຫນັກເບົາຂອງ electrode ອື່ນໆ, cathode, ວຽກງານນີ້ສາມາດນໍາໄປສູ່ການຫຼຸດລົງຢ່າງຫຼວງຫຼາຍໃນນ້ໍາຫນັກລວມຂອງຫມໍ້ໄຟ lithium-ion. ຕົວຢ່າງ, ທີມງານຫວັງວ່າມັນອາດຈະເຮັດໃຫ້ໂທລະສັບມືຖືສາມາດຖືກສາກໄຟພຽງແຕ່ຫນຶ່ງຄັ້ງໃນທຸກໆສາມມື້, ໂດຍບໍ່ມີການເຮັດໃຫ້ໂທລະສັບຫນັກຫຼືຫນັກກວ່າ.

 

ແນວຄວາມຄິດໃຫມ່ສໍາລັບ cathode ທີ່ອ່ອນກວ່າໄດ້ຖືກອະທິບາຍໂດຍທີມງານອື່ນທີ່ນໍາພາໂດຍ Li, ໃນເອກະສານທີ່ປາກົດໃນເດືອນແລ້ວນີ້ໃນວາລະສານ Nature Energy, ຜູ້ຂຽນຮ່ວມກັນໂດຍ MIT postdoc Zhi Zhu ແລະນັກສຶກສາຈົບການສຶກສາ Daiwei Yu. ວັດສະດຸດັ່ງກ່າວຈະຫຼຸດຜ່ອນການໃຊ້ nickel ແລະ cobalt, ລາຄາແພງແລະເປັນພິດແລະຖືກນໍາໃຊ້ໃນ cathodes ໃນປະຈຸບັນ. cathode ໃໝ່ ບໍ່ໄດ້ອີງໃສ່ພຽງແຕ່ການປະກອບສ່ວນຄວາມສາມາດຈາກໂລຫະການປ່ຽນແປງເຫຼົ່ານີ້ໃນວົງຈອນຫມໍ້ໄຟ. ແທນທີ່ຈະ, ມັນຈະອີງໃສ່ຄວາມອາດສາມາດ redox ຂອງອົກຊີເຈນຫຼາຍ, ເຊິ່ງຫຼາຍເບົາແລະອຸດົມສົມບູນ. ແຕ່ໃນຂະບວນການນີ້ ions ອົກຊີເຈນກາຍເປັນມືຖືຫຼາຍ, ເຊິ່ງສາມາດເຮັດໃຫ້ພວກເຂົາຫນີຈາກອະນຸພາກ cathode. ນັກຄົ້ນຄວ້າໄດ້ນໍາໃຊ້ການແກ້ໄຂພື້ນຜິວທີ່ມີອຸນຫະພູມສູງດ້ວຍເກືອ molten ເພື່ອຜະລິດຊັ້ນປ້ອງກັນເທິງອະນຸພາກຂອງ manganese- ແລະ lithium-ອຸດົມດ້ວຍໂລຫະ-oxide, ສະນັ້ນການສູນເສຍອົກຊີເຈນທີ່ຫຼຸດລົງຢ່າງຫຼວງຫຼາຍ.

 

ເຖິງແມ່ນວ່າຊັ້ນຫນ້າດິນແມ່ນບາງຫຼາຍ, ພຽງແຕ່ 5 ຫາ 20 nanometers ຫນາໃນ particles ກວ້າງ 400 nanometer, ມັນສະຫນອງການປົກປ້ອງທີ່ດີສໍາລັບວັດສະດຸທີ່ຕິດພັນ. Li ກ່າວວ່າ, ເກືອບຄືກັບການສັກຢາປ້ອງກັນ, ຕໍ່ກັບຜົນກະທົບທາງລົບຂອງການສູນເສຍອົກຊີໃນຫມໍ້ໄຟທີ່ໃຊ້ໃນອຸນຫະພູມຫ້ອງ. ສະບັບປະຈຸບັນສະຫນອງການປັບປຸງຢ່າງຫນ້ອຍ 50 ເປີເຊັນໃນປະລິມານຂອງພະລັງງານທີ່ສາມາດເກັບຮັກສາໄວ້ສໍາລັບນ້ໍາຫນັກທີ່ໃຫ້, ມີຄວາມຫມັ້ນຄົງຂອງລົດຖີບທີ່ດີກວ່າຫຼາຍ.

 

ທີມ​ງານ​ໄດ້​ສ້າງ​ພຽງ​ແຕ່​ອຸ​ປະ​ກອນ​ຫ້ອງ​ທົດ​ລອງ​ຂະ​ຫນາດ​ນ້ອຍ​ເທົ່າ​ນັ້ນ​ມາ​ຮອດ​ປັດ​ຈຸ​ບັນ​, ແຕ່​ວ່າ "ຂ້າ​ພະ​ເຈົ້າ​ຄາດ​ວ່າ​ຈະ​ໄດ້​ຮັບ​ການ​ຂະ​ຫຍາຍ​ຂະ​ຫນາດ​ໄວ​ຫຼາຍ​, "Li ເວົ້າ​ວ່າ​. ວັດສະດຸທີ່ຈໍາເປັນ, ສ່ວນຫຼາຍແມ່ນ manganese, ແມ່ນມີລາຄາຖືກກວ່າ nickel ຫຼື cobalt ທີ່ໃຊ້ໂດຍລະບົບອື່ນໆ, ດັ່ງນັ້ນ cathodes ເຫຼົ່ານີ້ສາມາດມີລາຄາຖືກເປັນສ່ວນຫ້າເທົ່າກັບລຸ້ນທໍາມະດາ.

 

ທີມງານຄົ້ນຄ້ວາປະກອບມີນັກຄົ້ນຄວ້າຈາກ MIT, ມະຫາວິທະຍາໄລໂພລີເທກນິກຮົງກົງ, ມະຫາວິທະຍາໄລ Central Florida, ມະຫາວິທະຍາໄລ Texas at Austin, ແລະຫ້ອງທົດລອງແຫ່ງຊາດ Brookhaven ໃນ Upton, ນິວຢອກ. ວຽກງານດັ່ງກ່າວໄດ້ຮັບການສະໜັບສະໜູນຈາກມູນນິທິວິທະຍາສາດແຫ່ງຊາດ.