En animation visar hur laddning och urladdning av en litiumbatteritestcell fĂ„r en ö av “död” (eller lösgjord) litiummetall att krypa fram och tillbaka mellan elektroderna. Rörelsen av litiumjoner fram och tillbaka genom elektrolyten skapar omrĂ„den med negativ (blĂ„) och positiv (röd) laddning i Ă€ndarna av ön, som byter plats nĂ€r batteriet laddas och laddas ur. Litiummetall ackumuleras i den negativa Ă€nden av ön och löses upp i den positiva Ă€nden; denna stĂ€ndiga tillvĂ€xt och upplösning orsakar den fram och tillbaka rörelse som ses hĂ€r. Forskare frĂ„n SLAC och Stanford upptĂ€ckte att om man lĂ€gger till ett kort urladdningssteg med hög ström direkt efter att batteriet har laddats, knuffar ön att vĂ€xa i riktning mot anoden, eller negativ elektrod. Ă teranslutning med anoden Ă„terupplivar öns döda litium och ökar batteriets livslĂ€ngd med nĂ€stan 30 %. Kredit: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Forskare vid Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University kan ha hittat ett sÀtt att Äteruppliva uppladdningsbara litiumbatterier, vilket potentiellt ökar rÀckvidden för elfordon och batterilivslÀngden i nÀsta generations elektroniska enheter.
NĂ€r litiumbatterier cyklar, samlar de smĂ„ öar av inaktivt litium som Ă€r avskurna frĂ„n elektroderna, vilket minskar batteriets kapacitet att lagra laddning. Men forskargruppen upptĂ€ckte att de kunde fĂ„ detta “döda” litium att krypa som en mask mot en av elektroderna tills det Ă„teransluts, vilket delvis vĂ€nder pĂ„ den oönskade processen.
Att lÀgga till detta extra steg bromsade nedbrytningen av deras testbatteri och ökade dess livslÀngd med nÀstan 30 %.
“Vi undersöker nu den potentiella Ă„terhĂ€mtningen av förlorad kapacitet i litiumjonbatterier med hjĂ€lp av ett extremt snabbt urladdningssteg”, sĂ€ger Stanford postdoktor Fang Liu, huvudförfattare till en studie publicerad 22 december i Natur.
Avbruten anslutning
En hel del forskning Àr inriktad pÄ att leta efter sÀtt att göra laddningsbara batterier med lÀgre vikt, lÀngre livslÀngder, förbÀttrad sÀkerhet och snabbare laddningshastigheter Àn den litiumjonteknik som för nÀrvarande anvÀnds i mobiltelefoner, bÀrbara datorer och elfordon. Ett sÀrskilt fokus ligger pÄ att utveckla litium-metallbatterier, som kan lagra mer energi per volym eller vikt. Till exempel i elbilar kan dessa nÀsta generations batterier öka körstrÀckan per laddning och eventuellt ta upp mindre bagageutrymme.
BÄda batterityperna anvÀnder positivt laddade litiumjoner som pendlar fram och tillbaka mellan elektroderna. Med tiden blir en del av det metalliska litiumet elektrokemiskt inaktivt och bildar isolerade öar av litium som inte lÀngre ansluter till elektroderna. Detta resulterar i en kapacitetsförlust och Àr ett sÀrskilt problem för litiummetallteknik och för snabbladdning av litiumjonbatterier.
Men i den nya studien visade forskarna att de kunde mobilisera och Ätervinna det isolerade litiumet för att förlÀnga batteritiden.
“Jag har alltid tĂ€nkt pĂ„ isolerat litium som dĂ„ligt, eftersom det fĂ„r batterier att sönderfalla och till och med fatta eld”, sĂ€ger Yi Cui, professor vid Stanford och SLAC och utredare vid Stanford Institute for Materials and Energy Research (SIMES) som ledde forskning. “Men vi har upptĂ€ckt hur man elektriskt kopplar tillbaka detta “döda” litium med den negativa elektroden för att Ă„teraktivera det.”
NĂ€r en ö av inaktiverad litiummetall reser till batteriets anod, eller negativ elektrod, och Ă„teransluter, kommer den tillbaka till liv, vilket bidrar med elektroner till batteriets strömflöde och litiumjoner för att lagra laddningen tills den behövs. Ăn rör sig genom att tillsĂ€tta litiummetall i ena Ă€nden (blĂ„) och lösa upp den i den andra Ă€nden (röd). Forskare frĂ„n SLAC och Stanford upptĂ€ckte att de kunde driva öns tillvĂ€xt i riktning mot anoden genom att lĂ€gga till ett kort urladdningssteg med hög ström direkt efter att batteriet laddats. Att Ă„teransluta ön till anoden ökade livslĂ€ngden för deras litiumjontestcell med nĂ€stan 30 %. Kredit: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Krypande, inte död
IdĂ©n till studien föddes nĂ€r Cui spekulerade i att anbringande av en spĂ€nning pĂ„ ett batteris katod och anod kunde fĂ„ en isolerad ö av litium att fysiskt flytta mellan elektroderna – en process som hans team nu har bekrĂ€ftat med sina experiment.
Forskarna tillverkade en optisk cell med en litium-nickel-mangan-kobolt-oxid (NMC) katod, en litiumanod och en isolerad litiumö dÀremellan. Denna testenhet gjorde det möjligt för dem att i realtid spÄra vad som hÀnder inuti ett batteri nÀr det anvÀnds.
De upptĂ€ckte att den isolerade litiumön inte alls var “död” utan svarade pĂ„ batteridrift. Vid laddning av cellen rörde sig ön lĂ„ngsamt mot katoden; vid urladdning kröp den i motsatt riktning.
“Det Ă€r som en mycket lĂ„ngsam mask som tar huvudet framĂ„t och drar svansen in för att flytta nanometer för nanometer,” sa Cui. âI det hĂ€r fallet transporterar den genom att lösas upp i ena Ă€nden och avsĂ€tta material i den andra Ă€nden. Om vi ââkan hĂ„lla litiummasken i rörelse kommer den sĂ„ smĂ„ningom att vidröra anoden och Ă„terupprĂ€tta den elektriska anslutningen.”
Ăkar livslĂ€ngden
Resultaten, som forskarna validerade med andra testbatterier och genom datorsimuleringar, visar ocksÄ hur isolerat litium kunde Ätervinnas i ett riktigt batteri genom att modifiera laddningsprotokollet.
“Vi fann att vi kan flytta det fristĂ„ende litiumet mot anoden under urladdning, och dessa rörelser Ă€r snabbare under högre strömmar,” sa Liu. “SĂ„ vi lade till ett snabbt urladdningssteg med hög ström direkt efter batteriladdningen, vilket flyttade det isolerade litiumet tillrĂ€ckligt lĂ„ngt för att Ă„teransluta det till anoden. Detta Ă„teraktiverar litiumet sĂ„ att det kan delta i batteriets livslĂ€ngd.”
Hon tillade, “VĂ„ra resultat har ocksĂ„ stora konsekvenser för design och utveckling av mer robusta litiummetallbatterier.”
Reaktiva elektrolyttillsatser förbÀttrar litiummetallbatteriets prestanda
Mer information:
Fang Liu et al, Dynamisk rumslig progression av isolerat litium under batteridrift, Natur (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-04168-w TillhandahÄlls av SLAC National Accelerator Laboratory
Citat:Vitaliserar batterier genom att vĂ€cka “dött” litium till liv igen (2022, 3 januari)hĂ€mtad 3 januari 2022 frĂ„n https://techxplore.com/news/2022-01-revitalizing-batteries-dead-lithium-life.html
Detta dokument Àr föremÄl för upphovsrÀtt. Bortsett frÄn all rÀttvis handel i syfte att privata studier eller forskning, fÄr ingen del reproduceras utan skriftligt tillstÄnd. InnehÄllet tillhandahÄlls endast i informationssyfte.
