Tło:
Naukowcy z Instytutu Bioenergii i Technologii Bioprocesów w Qingdao, Chińskiej Akademii Nauk, dokonali przełomowego odkrycia w dziedzinie całkowicie stałych akumulatorów litowych, potencjalnie realizując marzenie o mniejszych urządzeniach elektronicznych o wydłużonej żywotności baterii. Osiągnięcie to zostało opublikowane w międzynarodowym czasopiśmie naukowym Nature Energy 31 lipca.
Akumulatory litowo-jonowe używane w telefonach komórkowych, komputerach i innych urządzeniach elektronicznych głównie przechowują i uwalniają energię za pośrednictwem ciekłych elektrolitów. Naukowcy badają obecnie nowy typ akumulatorów — całkowicie stałe akumulatory litowe. Wykorzystują one stałe elektrolity zamiast cieczy, co czyni je znacznie bezpieczniejszymi.
Chociaż całkowicie stałe akumulatory litowe wydają się idealne, ich rozwój napotyka na wyzwania. Przede wszystkim, różne właściwości chemiczne i fizyczne materiałów w katodzie akumulatora utrudniają idealną kompatybilność, prowadząc do wielu problemów z interfejsem, które pogarszają gęstość energii i żywotność. Aby to rozwiązać, zespół badawczy opracował nowy materiał: zhomogenizowany materiał katodowy (germanofosforoselenid litu, tytanu).
W porównaniu z konwencjonalnymi materiałami, związek ten oferuje korzyści, w tym wysoką przewodność elektryczną, wysoką gęstość energii i wydłużoną żywotność:
Wysoka przewodność elektryczna:Ten nowy materiał wykazuje zarówno wysoką przewodność jonową, jak i elektroniczną, przewyższając tradycyjne materiały akumulatorowe (katody warstwowe tlenkowe) ponad 1000-krotnie. Umożliwia to płynne procesy ładowania i rozładowywania bez polegania na dodatkach przewodzących, znacząco poprawiając ogólną wydajność akumulatora.
Wysoka pojemność rozładowania:Nowy materiał wykazuje wysoką pojemność rozładowania wynoszącą 250 mAh na gram, przewyższając obecnie stosowane materiały katodowe o wysokiej zawartości niklu. Przy równoważnej wadze lub objętości, akumulatory zawierające ten materiał mogą przechowywać więcej energii elektrycznej. Pozwala to nie tylko na dłuższą ciągłą pracę bez częstego ładowania, zwiększając w ten sposób wytrzymałość, ale także zmniejsza rozmiar akumulatora, ułatwiając projektowanie bardziej kompaktowych urządzeń.
Niska zmiana objętości:Podczas cykli ładowania i rozładowywania, nowy materiał wykazuje zmianę objętości wynoszącą zaledwie 1,2%, znacznie mniej niż 50% obserwowanych w konwencjonalnych materiałach katodowych warstwowych tlenkowych. Ta minimalna zmiana objętości pomaga utrzymać stabilność strukturalną, wydłużając w ten sposób żywotność akumulatora.
Wysoka gęstość energii:Całkowicie stałe akumulatory litowe wykorzystujące ten nowy materiał osiągają gęstość energii 390 Wh/kg, co stanowi 1,3-krotny wzrost w porównaniu z wcześniej zgłaszanymi długocyklowymi, całkowicie stałymi akumulatorami litowymi.
Wydłużona żywotność:Całkowicie stałe akumulatory litowe wykorzystujące ten materiał osiągają ponad 10 000 cykli. Po 5000 cyklach ładowania, akumulator zachowuje 80% swojej początkowej pojemności, dostarczając wystarczającą moc przez dłuższy czas.
Badania te stanowią kluczowe wsparcie techniczne dla rozwoju urządzeń do przechowywania energii o wysokiej gęstości i długiej żywotności, oferując bezpieczne i trwałe źródła zasilania dla pojazdów nowej energii, sieci magazynowania energii oraz sprzętu głębinowego/kosmicznego. Ma to istotne implikacje dla rozwoju nowych systemów magazynowania energii.