סוללות ליתיום-יון שוברות את שיא צפיפות האנרגיה

חוקרים הצליחו לייצר סוללות ליתיום מסוג פאוץ' נטענות עם צפיפות אנרגיה שוברת שיא של למעלה מ-700 וואט/ק"ג. העיצוב החדש כולל קתודה מבוססת מנגן עשירה בליתיום בעלת קיבולת גבוהה ואנודת מתכת ליתיום דקה עם אנרגיה ספציפית גבוהה. אם יתפתח עוד יותר, המכשיר יוכל למצוא שימוש ביישומים כמו תעופה חשמלית, הדורשת סוללות בצפיפות אנרגיה גבוהה בהרבה מאלו הקיימות כיום.

סוללות ליתיום-יון הן טכנולוגיית מפתח המסייעת להגיע ליעדי ניטרליות אקלים. הם משמשים יותר ויותר להנעת כלי רכב חשמליים וכמרכיבים עיקריים של מכשירים ביתיים האוגרים אנרגיה שנוצרת ממקורות מתחדשים. גם הטכנולוגיה התקדמה מאוד: מאז שהוסרו לראשונה על ידי סוני ב-1991, צפיפות האנרגיה של סוללות ליתיום-יון עלתה מ-80 וואט/ק"ג לסביבות 300 וואט/ק"ג.

עם זאת, השגת כלכלה נטולת פחמן באמת תדרוש סוללות בעלות ביצועים טובים יותר ממה שטכנולוגיית הליתיום-יון הנוכחית יכולה לספק. בכלי רכב חשמליים, למשל, שיקול מרכזי הוא שהסוללות יהיו קטנות וקלות ככל האפשר. השגת יעד זה דורשת צפיפות אנרגיה גבוהה מ-400 וואט/ק"ג. הבעיה היא שסוללות הליתיום-יון של היום מכילות בעיקר קתודות מסוג אינטרקלציה (לדוגמה, LiFePO₄, LiCoO₂ או LiNi_xMn_yCo_zO₂, x+y+z=1) ואנודות על בסיס גרפיט, וצפיפות האנרגיה של האלקטרודות הללו מתקרבת לגבול העליון שלה.

מתח טעינה-פריקה גבוה

בעבודה החדשה, החוקרים בראשות שיקיאן יו ו הונג לי מהמכון לפיזיקה, האקדמיה הסינית למדעים בבייג'ינג, ייצרו סוללות ליתיום נטענות מסוג נרתיק באמצעות קיבולת פריקה גבוהה עבה במיוחד Li_1.2Ni_0.13Co_0.13Mn_0.54O₂ קתודה בעלת קיבולת שטח העולה על 10 mAh/cm² ואנודת מתכת ליתיום. מתח הטעינה-פריקה הגבוה של התחמוצות המבוססות על מנגן עשיר בליתיום מאפשר קיבולת אחסון ליתיום-יון גבוהה יותר.

"אלקטרודת האנודה משתמשת בליתיום מתכת דק במיוחד המשולב בטכניקת ציפוי מפריד, אשר מטפלת בבעיה המעצבנת של שקיעה הפיכה של ליתיום דק במיוחד בעל קיבולת משטח גדולה", מסביר המחבר הראשון Quan Li.

המכשירים מתהדרים בצפיפות אנרגיה גרבימטרית של 711.3 וואט/ק"ג וצפיפות אנרגטית נפחית של 1653.65 וואט/ליטר, שניהם הגבוהים ביותר בסוללות ליתיום נטענות המבוססות על קתודה מסוג אינטרקלציה, אומר לי. עולם הפיזיקה.

"בהתייחס לייצור הסוללות, עיצוב מבנה הסוללה הקיצונית שלנו (כולל שימוש בקולטי זרם דקים במיוחד) הותאם כדי למזער את השימוש בחומרי עזר תוך שיפור שיעור החומרים הפעילים בכל הסוללה", הוא מוסיף. "גישה סינרגטית זו היא שאיפשרה את צפיפות האנרגיה הגבוהה במיוחד של הסוללות."

כלי רכב חשמליים ארוכי טווח ותעופה חשמלית יכולים להועיל

המכשירים החדשים יכולים להועיל לרכבים חשמליים ארוכי טווח ולתעופה חשמלית, שניהם מציבים דרישות גבוהות יותר ויותר לצפיפות אנרגית הסוללה. המחקר יכול גם לעזור לטפל בכמה מהבעיות המובנות הקשורות לטכנולוגיית הסוללה, אומר לי.

"לדוגמה, הוא מציע תובנות כיצד לאזן בין בטיחות לבין גורמים חשובים אחרים בסוללות בצפיפות אנרגיה גבוהה, שיסייעו במימוש מעשי של סוללות בצפיפות אנרגיה גבוהה בעתיד. מחקר על סוללות עם צפיפות אנרגיה המתקרבת לגבולות תיאורטיים יסייע גם לשפר את הידע שלנו על יונית מצב מוצק ואלקטרוכימיה של מצב מוצק, מה שיאפשר אולי חדשנות טכנולוגית בחומרים חדשים ובמערכות סוללות".

סוללות ליתיום-יון נטענות בקור

החוקרים המדווחים על עבודתם ב מכתבי פיזיקה סינית, הסבירו שתמיד קיימת פשרה בין צפיפות האנרגיה, ביצועי המחזור, יכולת הקצב והבטיחות של סוללות ליתיום-יון. בטיחות היא דרישה עיקרית, אך צפיפות אנרגיה מוגברת תגביר את הסיכונים במהלך פעולת הסוללה, הם אומרים. "צריך לשפר בהדרגה את צפיפות האנרגיה תוך הבטחת בטיחות", אומר לי. "המטרה שלנו היא לשפר את ביצועי בטיחות הסוללה באמצעות טכנולוגיית מצב מוצק, מה שהופך סוללות בצפיפות אנרגיה גבוהה למעשיות יותר."

ביצועי המחזור של סוללות בצפיפות אנרגיה גבוהה גם עדיין מפגרים אחרי אלו של סוללות הממוסחרות כיום, הוא מוסיף. "צריך לשקול את הפרמטר הזה בצורה מקיפה כדי לעמוד בדרישות של תחומים ספציפיים. לכן ייקח זמן לא מבוטל עד ליישום מעשי של סוללות בצפיפות אנרגיה גבוהה במיוחד. התמודדות עם האתגרים המעכבים את השימוש המעשי שלהם תהיה הכיוון המתמשך של מאמצי המחקר העתידיים שלנו."

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. ידע מוגבר. גישה כאן.
• הטבעת העתיד עם אדריאן אשלי. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/lithium-ion-batteries-break-energy-density-record/