סוללה חדשה של מצב מוצק מפתיעה את החוקרים שיצרו אותה: מהנדסים יוצרים סוללה בעלת מצב מוצק לכל מצב עם אנודה סיליקון טהור.

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on telegram
Share on whatsapp
Share on email
פרסומת
MAGNEZIX מגנזיקס


המהנדסים יצרו סוג חדש של סוללה הטווה שני שדות משנה מבטיחים לסוללה אחת. הסוללה משתמשת הן באלקטרוליט במצב מוצק והן באנודה מכל סיליקון, מה שהופך אותה לסוללת מצב של כל מוצק. סבבי הבדיקות הראשונים מראים שהסוללה החדשה בטוחה, עמידה לאורך זמן וצפופה באנרגיה. הוא מבטיח מגוון רחב של יישומים, החל מאחסון רשת וכלה ברכבים חשמליים.

טכנולוגיית הסוללות מתוארת בגיליון 24 בספטמבר 2021 של כתב העת מַדָע. מהנדסי ננו מאוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו הובילו את המחקר, בשיתוף עם חוקרים ב- LG Energy Solution.

אנודות הסיליקון מפורסמות בצפיפות האנרגיה שלהן, שהיא גדולה פי 10 מאנודות הגרפיט המשמשות לרוב בסוללות ליתיום יון מסחריות של היום. מצד שני, אנודות הסיליקון ידועות לשמצה על האופן שבו הן מתרחבות ומתכווצות ככל שהסוללה נטענת ופורקת, וכיצד הן מתכלות עם אלקטרוליטים נוזליים. אתגרים אלה הרחיקו את האנודות מכל הסיליקון מסוללות ליתיום יון למרות הצפיפות האנרגטית המפתה. היצירה החדשה שפורסמה ב- מַדָע מספק דרך מבטיחה קדימה לאנודות מכל הסיליקון, הודות לאלקטרוליט הנכון.

"עם תצורת הסוללה הזו, אנו פותחים שטח חדש לסוללות במצב מוצק באמצעות אנודות סגסוגת כגון סיליקון", אמר דארן HS Tan, המחבר הראשי בעיתון. לאחרונה סיים את הדוקטורט להנדסה כימית בבית הספר להנדסה באוניברסיטת סן דייגו ג'ייקובס וייסד שותף סטארטאפ של UNIGRID אשר קיבל רישיון לטכנולוגיה זו.

סוללות הדור הבא, מצב מוצק עם צפיפות אנרגיה גבוהה, הסתמכו תמיד על ליתיום מתכתי כאנודה. אבל זה מגביל את קצבי טעינת הסוללה ואת הצורך בטמפרטורה גבוהה (בדרך כלל 60 מעלות צלזיוס ומעלה) במהלך הטעינה. אנודת הסיליקון מתגברת על מגבלות אלה, ומאפשרת קצבי טעינה מהירים הרבה יותר בחדר עד לטמפרטורות נמוכות, תוך שמירה על צפיפות אנרגיה גבוהה.

הצוות הפגין תא מלא בקנה מידה מעבדתי המספק 500 מחזורי טעינה ופריקה עם שמירת קיבולת של 80% בטמפרטורת החדר, המייצג התקדמות מרגשת הן לאנודות הסיליקון והן לקהילות הסוללה של מצב מוצק.

סיליקון כאנודה להחלפת גרפיט

אנודות סיליקון, כמובן, אינן חדשות. במשך עשרות שנים, מדענים ויצרני סוללות חיפשו את הסיליקון כחומר צפוף אנרגיה כדי לערבב אותו או להחליף אותו לחלוטין באנודות גרפיט רגילות בסוללות ליתיום-יון. תיאורטית, הסיליקון מציע פי 10 את נפח האחסון של גרפיט. אולם בפועל, סוללות ליתיום-יון עם סיליקון המתווספות לאנודה כדי להגדיל את צפיפות האנרגיה בדרך כלל סובלות מבעיות ביצועים בעולם האמיתי: בפרט, מספר הפעמים שניתן לטעון ולפרוק את הסוללה תוך שמירה על הביצועים אינו מספיק גבוה.

חלק ניכר מהבעיה נגרמת על ידי האינטראקציה בין אנודות הסיליקון לאלקטרוליטים הנוזליים איתם הוצמדו. המצב מסובך בהתרחבות נפח גדולה של חלקיקי סיליקון במהלך הטעינה והפריקה. הדבר מוביל לאובדן קיבולת חמור לאורך זמן.

"כחוקרי סוללות, חיוני לטפל בבעיות השורש במערכת. לגבי אנודות סיליקון, אנו יודעים שאחת הנושאים הגדולים היא חוסר היציבות של ממשק האלקטרוליטים הנוזלים", אמרה שירלי מנג, המחברת המקבילה בנושא מַדָע נייר, ומנהל המכון לגילוי ועיצוב חומרים באוניברסיטת סן דייגו. "היינו צריכים גישה שונה לגמרי", אמר מנג.

ואכן, צוות ההנהלה של אוניברסיטת סן דייגו נקט בגישה אחרת: הם חיסלו את הפחמן ואת הקלסרים שהלכו לאנודות מכל הסיליקון. בנוסף, החוקרים השתמשו במיקרו-סיליקון, שהוא פחות מעובד ופחות יקר מאשר ננו-סיליקון המשמש לעתים קרובות יותר.

פתרון הכול במצב מוצק

בנוסף להסרת כל הפחמן והקלסרים מהאנודה, הצוות הסיר גם את האלקטרוליט הנוזלי. במקום זאת, הם השתמשו באלקטרוליט מוצק המבוסס על גופרית. הניסויים שלהם הראו שאלקטרוליט מוצק זה יציב במיוחד בסוללות עם אנודות מכל סיליקון.

"עבודה חדשה זו מציעה פתרון מבטיח לבעיית האנודה הסיליקונית, אם כי יש עוד עבודה לעשות", אמר פרופסור מנג, "אני רואה בפרויקט זה אימות של גישתנו לחקר הסוללות כאן באוניברסיטת סן דייגו. אנו מזווגים את העבודה התיאורטית והניסיונית הקפדנית ביותר עם יצירתיות וחשיבה מחוץ לקופסה. אנו יודעים גם כיצד לקיים אינטראקציה עם שותפים בתעשייה תוך שאיפה לאתגרים בסיסיים קשים ".

מאמצי העבר למסחור של האנודות של סגסוגת הסיליקון מתמקדות בעיקר במרכבי סיליקון-גרפיט, או בשילוב חלקיקים ננו-מובנים עם קלסרים פולימריים. אבל הם עדיין נאבקים ביציבות ירודה.

על ידי החלפת האלקטרוליט הנוזלי לאלקטרוליט מוצק, ובמקביל הסרת הפחמן והקלסרים מאנודת הסיליקון, החוקרים נמנעו משורה של אתגרים קשורים המתעוררים כאשר האנודות נספגות באלקטרוליט הנוזלי האורגני כאשר הסוללה מתפקדת.

יחד עם זאת, על ידי חיסול הפחמן באנודה, הצוות הפחית משמעותית את המגע הבין-פנים (ותגובות לוואי לא רצויות) עם האלקטרוליט המוצק, תוך הימנעות מאובדן קיבולת רציף המתרחש בדרך כלל עם אלקטרוליטים מבוססי נוזלים.

מהלך זה בן שני חלקים אפשר לחוקרים להפיק את מלוא היתרונות של עלות נמוכה, אנרגיה גבוהה ותכונות שפירות של סיליקון.

מסחור השפעה וספין אוף

"גישת הסיליקון של מצב מוצק מתגברת על מגבלות רבות בסוללות קונבנציונאליות. היא מציגה הזדמנויות מרגשות לענות על דרישות השוק לאנרגיה נפחית גבוהה יותר, עלויות מופחתות וסוללות בטוחות יותר במיוחד לאחסון אנרגיית רשת", אמר דרן HS Tan, המחבר הראשון על מַדָע עיתון.

לעתים קרובות האמינו כי אלקטרוליטים מוצקים המבוססים על גופרית הם מאוד לא יציבים. עם זאת, זה התבסס על פרשנויות תרמודינמיות מסורתיות המשמשות במערכות אלקטרוליטים נוזליים, אשר לא היוו את היציבות הקינטית המעולה של אלקטרוליטים מוצקים. הצוות ראה הזדמנות לנצל נכס מנוגד זה ליצירת אנודה יציבה במיוחד.

טאן הוא מנכ"ל ומייסד חברת סטארט-אפ, UNIGRID Battery, אשר רישאה את הטכנולוגיה עבור כל הסוללות של מצב סיליקון.

במקביל, עבודת היסוד הקשורה תמשיך ב- UCSan Diego, כולל שיתוף פעולה מחקרי נוסף עם LG Energy Solution.

"LG Energy Solution שמח על כך שהמחקר העדכני ביותר על טכנולוגיית סוללות עם UC סן דייגו הגיע ליומן של מַדָע, הכרה משמעותית ", אמר מיונג-הוואן קים, נשיא ומנהל הרכש הראשי בחברת LG Energy Solution." עם הממצא האחרון, LG Energy Solution קרוב הרבה יותר למימוש טכניקות סוללה במצב מוצק, דבר שיגוון מאוד את הסוללה שלנו מערך המוצרים ".

"כיצרנית סוללות מובילה, LGES תמשיך במאמץ לטפח טכניקות חדישות במחקר מוביל של תאי הסוללה מהדור הבא", הוסיפה קים. LG Energy Solution מסרה כי היא מתכננת להרחיב עוד יותר את שיתוף הפעולה שלה בנושא מחקר סוללות במצב מוצק עם UC סן דייגו.

המחקר נתמך על ידי החדשנות הפתוחה של LG Energy Solution, תוכנית התומכת באופן פעיל במחקר הקשור לסוללות. LGES עבדה עם חוקרים ברחבי העולם לטיפוח טכניקות הקשורות לכך.

.



קישור לכתבת המקור – 2021-09-23 23:59:42

Share on facebook
Facebook
Share on twitter
Twitter
Share on linkedin
LinkedIn
Share on telegram
Telegram
Share on whatsapp
WhatsApp
Share on email
Email
פרסומת
MAGNEZIX מגנזיקס

עוד מתחומי האתר