Connect with us

Hi, what are you looking for?

Наука и технологии

Новые электроды могут стать ключом к усовершенствованным батареям

Новые электроды могут стать ключом к усовершенствованным батареям
Новые электроды могут стать ключом к усовершенствованным батареям

Спрос на высокопроизводительные аккумуляторы, особенно для использования в электромобилях, растет по мере того, как мир переключает свое энергопотребление на системы с более электрическим питанием, уменьшая зависимость от ископаемого топлива и уделяя приоритетное внимание усилиям по восстановлению климата. Чтобы улучшить производительность и производство батарей, исследователи и сотрудники Penn State разработали новый подход к изготовлению, который может сделать батареи более эффективными, поддерживающими уровни энергии и мощности.

По словам Хунтао Сан , усовершенствованный метод изготовления аккумуляторных электродов может привести к созданию высокоэффективных аккумуляторов, которые сделают электромобили более энергоэффективными , а также к таким преимуществам, как увеличение емкости энергосистемы. Сан — доцент кафедры промышленной и производственной инженерии в Университете штата Пенсильвания и соавтор исследования, которое было опубликовано и размещено на обложке журнала Carbon .

«С современными батареями мы хотим, чтобы они позволяли нам управлять автомобилем на большие расстояния, и мы хотим зарядить машину, может быть, за пять или 10 минут, что сравнимо со временем, которое требуется для заправки бензином», — сказал Сан. «В нашей работе мы рассмотрели, как мы можем добиться этого, сделав электроды и аккумуляторные элементы более компактными, с более высоким процентом активных компонентов и меньшим процентом пассивных компонентов».

Если производитель электромобилей хочет увеличить дальность пробега своих автомобилей, они добавляют больше аккумуляторных элементов, число которых исчисляется тысячами. По словам Сан, чем меньше и легче, тем лучше.

«Решение для более дальних поездок для электромобиля состоит в том, чтобы просто добавить компактные батареи, но с более плотными и толстыми электродами», — сказал Сан, пояснив, что такие электроды могут лучше соединять и питать компоненты батареи, делая их более активными. «Хотя этот подход может немного снизить производительность батареи в расчете на вес электрода, он значительно повышает общую производительность автомобиля за счет уменьшения веса аккумуляторной батареи и энергии, необходимой для движения электромобиля».

Более эффективные электроды — своего рода ворота для электричества в батарее — могут помочь создать батарею с более высоким процентом активных компонентов.

«Если вы думаете об основных компонентах внутри батареи, только электрод влияет на производительность батареи», — сказал Сан. «Другие части, такие как упаковка, сепаратор, токосъемник и т. д., являются пассивными компонентами, которые увеличивают вес и вообще не влияют на производительность батареи. Если мы хотим улучшить производительность батареи, нам нужно поработать над батареей. материалы электродов и максимизировать их весовую долю в аккумуляторной ячейке».

Предыдущие попытки улучшить производительность батареи с помощью лучших электродов были сосредоточены только на одном показателе, который был не столь эффективным, потому что тогда аккумулятор плохо работал по другим компромиссным показателям. Например, когда батарея отдает приоритет высоким гравиметрическим характеристикам (количество энергии, которое она может хранить по отношению к своему весу), это может привести к снижению площадных метрических характеристик (сколько заряда она может хранить на единицу площади) и/или уменьшению объемных характеристик ( количество подаваемого заряда относительно размера батареи).

Обычно батареи состоят из анодных и катодных тонкопленочных электродов, установленных между двумя токопроводящими фольгами и разделенных изолирующими сепараторами. Увеличение толщины этих электродов может улучшить емкость и плотность накопления энергии, предоставляя больше места для хранения и высвобождения энергии. Более толстый электрод может хранить больше зарядов и, следовательно, как большой резервуар может вместить больше воды, может удерживать больше энергии. Однако у них также плохой перенос заряда, что ухудшает их общую производительность.

Сан и его исследовательская группа сосредоточились на создании более толстых электродов с оптимизированными путями переноса заряда, стремясь обеспечить высокую производительность по всем трем показателям: площади, объему и весу.

Чтобы решить проблему более толстого электрода с плохой кинетикой переноса заряда, исследователи разработали метод применения к электродам искрового плазменного спекания (SPS). SPS — это энергоэффективный метод, использующий тепло и давление для уплотнения и уплотнения материалов в твердый объект, например электрод.

«SPS позволил нам изготовить очень толстый и плотный электрод», — сказал Сан. «Типичная толщина электрода батареи составляет всего от 50 микрон до 100 микрон, но сейчас, в этой работе, мы говорим о 300 микронах, 500 микронах. Это в пять раз больше, чем доля массы электрода в реальной батарее. устройство.»

Этот метод позволяет получить вертикально выровненные углеродные сети и поровые каналы в электродах, что позволяет использовать катоды с высокой плотностью электродов для высоких объемных характеристик и высокой массовой нагрузки (количество присутствующего активного материала) для высоких метрических характеристик площади, демонстрируя при этом быстрый перенос заряда.

По словам Сан , использование недавно разработанных исследователями более толстых электродов с возможностью быстрой передачи заряда увеличит процент активных компонентов и повысит энергоемкость, нормализованную по общему весу аккумуляторной батареи. Они также делают батареи компактными из-за высокой плотности электродов, что позволяет размещать больше электродных активных материалов в одном и том же пространстве.

По словам Sun, следующие шаги в исследовании включают разработку масштабируемого процесса производства этих электродов и изучение других стратегий, позволяющих уменьшить долю веса батареи и увеличить место для батареи в автомобиле.

«Мы изучаем, как разработать структурные батареи и как интегрировать их в конструкцию транспортного средства», — сказал Сан. «Например, мы могли бы интегрировать аккумулятор в крышу электромобиля, фактически сделав его частью конструкции. В этом случае мы можем значительно уменьшить вес автомобиля, поскольку мы объединяем функцию и структуру».

Теги: батарея

В тренде