Klucz do trwałych i bezpiecznych baterii EV
Aby pojazdy elektryczne (EV) stały się popularne, potrzebują opłacalnych, bezpieczniejszych i trwalszych baterii. Takich, które nie wybuchną podczas użytkowania, ani nie zaszkodzą środowisku. Wszystko wskazuje na to, że naukowcy z Georgia Institute of Technology znaleźli obiecującą alternatywę dla konwencjonalnych akumulatorów litowo-jonowych.
Elastomery lub kauczuki syntetyczne są szeroko stosowane w produktach konsumenckich i zaawansowanych technologiach, takich jak elektronika do noszenia i miękka robotyka, ze względu na ich doskonałe właściwości mechaniczne. Naukowcy odkryli, że materiał, po uformowaniu w strukturę 3D, działa jak superautostrada do szybkiego transportu litowo-jonowego, o doskonałej wytrzymałości mechanicznej, co skutkuje dłuższym ładowaniem akumulatorów.
W konwencjonalnych akumulatorach litowo-jonowych jony są poruszane przez ciekły elektrolit. Jednak bateria jest z natury niestabilna: nawet najmniejsze uszkodzenie może wpłynąć na elektrolit, prowadząc do wybuchu lub pożaru. Kwestie bezpieczeństwa zmusiły przemysł do przyjrzenia się bateriom półprzewodnikowym, które mogą być wykonane z nieorganicznego materiału ceramicznego lub polimerów organicznych.
– Większość branży koncentruje się na budowaniu nieorganicznych elektrolitów w stanie stałym. Ale są trudne do wykonania, drogie i nie są przyjazne dla środowiska – powiedział Seung Woo Lee, profesor nadzwyczajny w George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, członek zespołu badaczy, którzy odkryli polimer organiczny na bazie gumy, lepszy od innych materiałów. Stałe elektrolity polimerowe nadal cieszą się dużym zainteresowaniem ze względu na ich niski koszt produkcji, nietoksyczność i miękki charakter, jednak konwencjonalne elektrolity polimerowe nie mają wystarczającej przewodności jonowej i stabilności mechanicznej potrzebnej do niezawodnej pracy akumulatorów półprzewodnikowych.
Inżynierowie Georgia Tech rozwiązali typowe problemy (powolny transport litowo-jonowy i słabe właściwości mechaniczne) przy użyciu elektrolitów gumowych. Kluczowym przełomem było umożliwienie materiałowi utworzenia trójwymiarowej (3D) połączonej fazy krystalicznej z tworzywa sztucznego w wytrzymałej gumowej matrycy. Ta unikatowa struktura zaowocowała wysoką przewodnością jonową, doskonałymi właściwościami mechanicznymi i stabilnością elektrochemiczną.
Ten gumowy elektrolit można wytworzyć w prostym procesie polimeryzacji w warunkach niskiej temperatury, generując mocne i gładkie powierzchnie międzyfazowe na powierzchni elektrod. Wyjątkowe właściwości gumowych elektrolitów zapobiegają wzrostowi dendrytów litu i pozwalają na szybsze poruszanie się jonów, umożliwiając niezawodną pracę akumulatorów półprzewodnikowych nawet w temperaturze pokojowej.
– Wyższa przewodność jonowa oznacza, że można przenosić więcej jonów w tym samym czasie – powiedział Michael Lee, absolwent inżynierii mechanicznej. – Zwiększanie właściwej energii i gęstości energii tych akumulatorów pozwala zwiększyć przebieg pojazdu elektrycznego.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Naukowcy szukają obecnie sposobów na poprawę wydajności baterii poprzez wydłużenie czasu jej cyklu i skrócenie czasu ładowania dzięki jeszcze lepszej przewodności jonowej. Do tej pory ich wysiłki przyniosły dwukrotną poprawę wydajności akumulatora / czasu cyklu.
SK Innovation, globalna firma energetyczna i petrochemiczna, finansuje dodatkowe badania materiału elektrolitowego w ramach stałej współpracy z Instytutem w celu budowy akumulatorów półprzewodnikowych nowej generacji, które są bezpieczniejsze i bardziej energochłonne niż konwencjonalne akumulatory litowo-jonowe. Firma SK Innovation ogłosiła niedawno budowę nowej fabryki akumulatorów EV w Commerce w stanie Georgia, która ma wyprodukować roczną liczbę akumulatorów litowo-jonowych równą 21,5 gigawatogodzin do 2023 r.
– Akumulatory całkowicie półprzewodnikowe mogą radykalnie zwiększyć przebieg i bezpieczeństwo pojazdów elektrycznych. Szybko rozwijające się firmy zajmujące się akumulatorami, w tym SK Innovation, wierzą, że komercjalizacja całkowicie półprzewodnikowych akumulatorów zmieni zasady gry na rynku pojazdów elektrycznych – powiedział Kyounghwan Choi, dyrektor Centrum Badań Akumulatorów Nowej Generacji, SK Innovation. – Dzięki trwającemu projektowi we współpracy z SK Innovation i profesorem Seung Woo Lee z Georgia Tech istnieją duże oczekiwania dotyczące szybkiego zastosowania i komercjalizacji całkowicie półprzewodnikowych akumulatorów.
Źródło: Georgia Tech
