Независимо от производительности, стоимости или безопасности, полностью твердотельные аккумуляторные батареи являются лучшим выбором для замены ископаемой энергии и, в конечном итоге, прокладывают путь к новым энергетическим транспортным средствам.
Гуденаф хорошо известен как изобретатель катодных материалов, таких как LiCoO2, LiMn2O4 и LiFePO4.литий-ионные аккумуляторыи действительно является «отцом литий-ионных аккумуляторов».
В недавней статье в журнале NatureElectronics Джон Б. Гуденаф, которому 96 лет, рассматривает историю изобретения литий-ионной аккумуляторной батареи и показывает путь вперед.
В 1970-е годы в США разразился нефтяной кризис.Осознав свою чрезмерную зависимость от импорта нефти, правительство начало серьезные усилия по развитию солнечной и ветровой энергетики.Из-за прерывистого характера солнечной и ветровой энергии,аккумуляторыв конечном итоге были необходимы для хранения этих возобновляемых и чистых источников энергии.
Ключом к обратимой зарядке и разрядке является обратимость химической реакции!
В то время в большинстве неперезаряжаемых батарей использовались литиевые отрицательные электроды и органические электролиты.Чтобы создать перезаряжаемые батареи, все начали работать над обратимым внедрением ионов лития в слоистые катоды из сульфидов переходных металлов.Стэнли Уиттингем из ExxonMobil обнаружил, что обратимая зарядка и разрядка может быть достигнута с помощью химии интеркаляции с использованием слоистого TiS2 в качестве катодного материала, а продуктом разряда является LiTiS2.
Эта ячейка, разработанная Уиттингемом в 1976 году, имела хорошую первоначальную эффективность.Однако после нескольких повторений зарядки и разрядки внутри элемента образовались дендриты лития, которые выросли от отрицательного электрода к положительному, создавая короткое замыкание, которое могло воспламенить электролит.Эта попытка вновь закончилась неудачей!
Тем временем Гуденаф, переехавший в Оксфорд, исследовал, какое максимальное количество лития можно извлечь из слоистых катодных материалов LiCoO2 и LiNiO2 до изменения структуры.В конце концов они добились обратимого извлечения более половины лития из материала катода.
Это исследование в конечном итоге привело Акиру Ёсино из AsahiKasei к подготовке первогоперезаряжаемая литий-ионная батарея: LiCoO2 в качестве положительного электрода и графитовый углерод в качестве отрицательного электрода.Эта батарея успешно использовалась в первых сотовых телефонах Sony.
В целях снижения затрат и повышения безопасности.Цельнотвердые аккумуляторные батареи с твердым электролитом кажутся важным направлением будущего развития.
Еще в 1960-х годах европейские химики работали над обратимым внедрением ионов лития в слоистые сульфидные материалы переходных металлов.В то время стандартными электролитами для аккумуляторных батарей были в основном сильные кислотные и щелочные водные электролиты, такие как H2SO4 или КОН.Потому что в этих водных электролитах H+ имеет хороший коэффициент диффузии.
В то время наиболее стабильные аккумуляторные батареи изготавливались со слоистым NiOOH в качестве материала катода и сильным щелочным водным электролитом в качестве электролита.h+ мог обратимо внедриться в слоистый катод NiOOH с образованием Ni(OH)2.проблема заключалась в том, что водный электролит ограничивал напряжение батареи, что приводило к низкой плотности энергии.
В 1967 году Джозеф Куммер и НилВебер из Ford Motor Company обнаружили, что Na+ обладает хорошими диффузионными свойствами в керамических электролитах при температуре выше 300°C.Затем они изобрели перезаряжаемую батарею Na-S: расплавленный натрий в качестве отрицательного электрода и расплавленные углеродные полосы, содержащие серу, в качестве положительного электрода.В результате они изобрели аккумуляторную батарею Na-S: расплавленный натрий в качестве отрицательного электрода, расплавленную серу, содержащую углеродную полосу, в качестве положительного электрода и твердую керамику в качестве электролита.Однако рабочая температура 300°C обрекла эту батарею на невозможность коммерциализации.
В 1986 году Гуденаф с помощью NASICON разработал полностью твердотельную перезаряжаемую литиевую батарею без образования дендритов.В настоящее время на рынок поступили полностью твердотельные перезаряжаемые литиевые и натриевые батареи на основе твердотельных электролитов, такие как NASICON.
В 2015 году Мария Хелена Брага из Университета Порту также продемонстрировала изолирующий твердый электролит из пористого оксида с проводимостью по ионам лития и натрия, сравнимой с органическими электролитами, которые в настоящее время используются в литий-ионных батареях.
Короче говоря, независимо от производительности, стоимости или безопасности, полностью твердотельные аккумуляторные батареи являются лучшим выбором для замены ископаемой энергии и, в конечном итоге, прокладывают путь к новым энергетическим транспортным средствам!
Время публикации: 25 августа 2022 г.