لیتیوم / گرافین "فویل" برای یک الکترود باتری بزرگ ساخته می شود

- Jul 26, 2017-

باتری های یون لیتیوم، همانطور که از نامش بر می آید، با اتلاف اتم های لیتیوم بین دو الکترود باتری کار می کنند. بنابراین، افزایش ظرفیت باتری عمدتا در یافتن راه هایی برای قرار دادن لیتیوم بیشتر به آن الکترود است. با این حال، این تلاش ها با مشکلاتی مواجه است. اگر لیتیوم کسر بزرگی از مواد الکترود شما باشد، حرکت آن باعث می شود که الکترود کوچک شود. انتقال آن به عقب می تواند منجر به رسوب لیتیوم در مکان های اشتباه شود، کوتاه کردن باتری.

در حال حاضر، یک تیم تحقیقاتی از استنفورد، چگونگی قرار دادن مقدار زیادی لیتیوم در گرافن را درک کرده است. ساختار حاصل از آن در محل برگزاری لیتیوم باز می شود، به این ترتیب امکان بازگشت به جایی که آغاز می شود، باز می شود. تست مواد حاصل شده، که آنها را فویل لیتیوم گرافین می نامند، نشان می دهد که این می تواند باتری هایی با دو برابر تراکم انرژی باتری های لیتیوم موجود را فعال کند.

1500887765126071190.png لیتیوم بد رفتار می کند

یک راه حل واضح برای افزایش میزان لیتیوم در یک الکترود، صرفا استفاده از لیتیوم فلز است. اما این ساده ترین کاری نیست که انجام شود. فلز لیتیم نسبت به دیگر اعضای ستون آن از جدول تناوبی کمتر واکنش نشان می دهد (من به شما، سدیم و پتاسیم نگاه می کنم)، اما هنوز هم با هوا، آب و بسیاری از مواد الکترولیتی واکنش نشان می دهد. علاوه بر این، هنگامی که لیتیوم الکترودها را ترک می کند و باز می شود، هیچ راهی برای کنترل جایی که فلز مجددا تشکیل می دهد وجود ندارد. پس از چند بار شارژ / چرخه تخلیه، الکترود لیتیوم شروع به ایجاد خوشه های شدید می کند که در نهایت می تواند به اندازه کافی بزرگ برای کوتاه کردن باتری رشد کند.

گروه کنترل استنفورد برای کنترل بهتر چگونگی رفتار لیتیوم در الکترود، به استفاده از برخی از آلیاژهای غنی از لیتیم نگاه کرده است. به عنوان مثال، لیتیوم، پیچیده ای با سیلیکون تشکیل می دهد که معمولا برای هر اتم سیلیکن بیش از چهار اتم لیتیوم وجود دارد. هنگامی که لیتیوم الکترود را ترک می کند، سیلیکن در پشت قرار می گیرد، و ساختار برای ترکیب لیتیوم را در نیمه دیگر چرخه شارژ / تخلیه باز می کند.

در حالی که این مسائل با فلز لیتیوم را حل می کند، یک تغییر جدید ایجاد می کند: تغییر حجم. وقتی که لیتیوم به الکترود دیگر برسد، سیلیکون پشت سر گذاشته می شود، به اندازه کافی حجمی ندارد، همانطور که همان الکترود را با ترکیب لیتیوم سیلیکون پر می کند. در نتیجه، الکترود در طول چرخه تخلیه شارژ به طور چشمگیری افزایش می یابد و باتری را تحت فشار فیزیکی قرار می دهد. (به نظر شما، یک الکترود فلزی لیتیوم به طور کامل از بین می رود، احتمالا باعث استرس مکانیکی حتی بزرگتر خواهد شد.)

و این به نظر می رسد ما را ترک کند. محدود کردن انبساط / انقباض مواد الکترود به نظر می رسد نیاز به محدود کردن مقدار لیتیوم که به داخل و خارج از آن حرکت می کند. البته این بدان معنی است که تراکم انرژی باتری محدود شود.

بین ورقها

در کار جدید، محققان کار قبلی خود را با لیتیوم-سیلیکون انجام می دهند و گرافن را ترکیب می کنند. گرافن یک اتم ضخیم از اتمهای کربن است که با هم مرتبط شده است و دارای خواصی است که برای باتری ها مناسب است. این باعث می شود که برق به خوبی انجام شود و پس از اتمام تخلیه و تخلیه باتری، شارژ به داخل و از طریق لیتیوم تغییر می کند. این نیز بسیار نازک است، به این معنی که بسته شدن بسیاری از مولکولهای گرافن در الکترود، فضای بسیار زیادی را از دست نمی دهد. گرافین به طور انتقادی برای این کار مکانیکی دشوار است.

برای ساخت مواد الکترود خود، تیم نانوذرات مواد سیلیکون لیتیوم تولید کرد. سپس آنها با ورق های گرافن با نسبت هشت به یک مخلوط شدند. مقدار کمی پیش ماده پلاستیکی اضافه شد و کل مخلوط در یک بلوک پلاستیکی پخش شد. پس از گسترش، پیش ساز پلیمر یک پلیمر نازک از پلیمر در بالای مخلوط نانوذرات گرافن ایجاد کرد. این می تواند از بین برود و سپس مخلوط نانو ذرات گرافنی می تواند از بلوک به عنوان یک برگ جدا شود.

مواد حاصل، که آنها فویل نامیده می شوند، شامل خوشه های بزرگ نانوذرات است که معمولا توسط سه تا پنج لایه گرافن احاطه شده اند. بسته به اینکه ضخامت فویل را ایجاد می کنید، می توان چند لایه خوشه های نانو ذرات وجود داشته باشد که هر کدام گرافن را جدا می کنند.

ورق های گرافن این مواد را بسیار قوی می سازند، زیرا می توانید آن را به هم بزنید و آن را باز کنید و سپس آن را به عنوان یک الکترود باتری استفاده کنید. آنها همچنین به حفظ هوای واکنش با لیتیوم داخل کمک می کنند. حتی پس از دو هفته در معرض هوا، فویل حدود 95 درصد ظرفیت خود را به عنوان یک الکترود حفظ کرد. کاهش قطر گرافن مورد استفاده در ترکیب اولیه و هوا یک مشکل می شود، در حالی که الکترود تقریبا نیمی از ظرفیت خود را در همان دو هفته از دست می دهد.

و این به خوبی به عنوان یک الکترود کار می کرد. وقتی که لیتیوم به سمت چپ رفت، نانوذرات کوچک می شدند، اما ورق های گرافن همگی ساختار خود را حفظ کردند و آن را از کوچک شدن حفظ کردند. و حتی پس از 400 دوره شارژ تخلیه، 98 درصد ظرفیت اصلی خود را حفظ کرد. شاید مهمتر از همه، هنگامی که با کاتد اکسید وانادیوم همراه بود، تراکم انرژی فقط بیش از 500 وات ساعت در هر کیلوگرم بود. باتری های لیتیوم یون فعلی تقریبا نیمی از آن را در بر می گیرد.

به طور معمول، کار کردن با این کار می تواند یک مدتی طول بکشد تا از یک آزمایشگاه دانشگاهی بیرون بیاید و یک شرکت شروع به جستجوی آن کند. با این حال، در این مورد، رئیس گروه تحقیق Yi Cui در حال حاضر یک شرکت راه اندازی با باتری در بازار است. بنابراین، این می تواند تا حدودی کمتر برای ارزیابی کامل تجاری است. بزرگترین نقطه چسبندگی ممکن است هزینه گرافن باشد. یک جستجوی سریع نشان می دهد که گرافن هنوز هزاران دلار در هر کیلوگرم است، هرچند که کاهش یافته است و بسیاری از مردم به دنبال راه هایی برای ارزان تر شدن آن هستند.

اگر آنها موفق شوند، بقیه اجزای این الکترود بسیار ارزان هستند. و فرایند ساختن آن بسیار ساده است.