Vil flydende krystaller som elektrolytter i lithium-ion-batterier gøre det muligt at skabe stabile lithium-metalceller?
Indhold
En interessant undersøgelse fra Carnegie Mellon University. Forskere har foreslået at bruge flydende krystaller i lithium-ion-celler for at øge deres energitæthed, stabilitet og opladningskapacitet. Arbejdet er endnu ikke fremskreden, så vi venter mindst fem år på deres færdiggørelse - hvis det overhovedet er muligt.
Flydende krystaller har revolutioneret skærme, nu kan de hjælpe batterier
indholdsfortegnelse
- Flydende krystaller har revolutioneret skærme, nu kan de hjælpe batterier
- Flydende krystaller som et trick for at opnå en væske-fast elektrolyt
Kort sagt stræber producenter af lithium-ion-celler i øjeblikket på at øge cellernes energitæthed og samtidig bevare eller forbedre deres ydeevne, herunder for eksempel øget stabilitet ved højere ladekapacitet. Tanken er at gøre batterierne lettere, sikrere og genoplades hurtigere. Lidt som en trekant af hurtigt-billigt-godt.
En af måderne til markant at øge cellernes specifikke energi (1,5-3 gange) er brugen af anoder lavet af lithiummetal (Li-metal).. Ikke fra kulstof eller silicium, som før, men fra lithium, et grundstof, der er direkte ansvarlig for grundstoffets kapacitet. Problemet er, at dette arrangement hurtigt udvikler lithiumdendritter, metalfremspring, der til sidst forbinder de to elektroder og beskadiger dem.
Flydende krystaller som et trick for at opnå en væske-fast elektrolyt
Der arbejdes i øjeblikket på at pakke anoder i forskellige materialer for at danne en ydre skal, der tillader strømmen af lithiumioner, men som ikke tillader faste strukturer at vokse. En potentiel løsning på problemet er også brugen af en fast elektrolyt - en væg, som dendritterne ikke kan trænge igennem.
Forskere ved Carnegie Mellon University tog en anden tilgang: de ønsker at blive med dokumenterede flydende elektrolytter, men baseret på flydende krystaller. Flydende krystaller er strukturer, der er halvvejs mellem flydende og krystaller, det vil sige faste stoffer med en ordnet struktur. Flydende krystaller er flydende, men deres molekyler er højt ordnede (kilde).
På molekylært niveau er strukturen af den flydende krystalelektrolyt simpelthen en krystallinsk struktur og blokerer dermed for væksten af dendritter. Vi har dog stadig at gøre med en væske, altså en fase, der tillader ioner at strømme mellem elektroderne. Dendritisk vækst er blokeret, belastninger skal flyde.
Undersøgelsen nævner ikke dette, men flydende krystaller har en anden vigtig egenskab: efter at have påført spænding på dem, kan de arrangere sig selv i en bestemt rækkefølge (som du for eksempel kan se ved at se på disse ord og grænsen mellem sorte bogstaver og en lys baggrund). Så det kan ske, at når cellen begynder at oplade, vil flydende krystalmolekylerne stå i en anden vinkel og "skrabe" de dendritiske aflejringer fra elektroderne.
Visuelt vil dette ligne lukning af klapper, f.eks. i en udluftning.
Bagsiden af situationen er den Carnegie Mellon University har netop startet forskning i nye elektrolytter. Det er allerede kendt, at deres stabilitet er lavere end for konventionelle flydende elektrolytter. Cellenedbrydning er hurtigere, og det er ikke den retning, der interesserer os. Det er dog muligt, at problemet med tiden vil blive løst. Desuden forventer vi ikke udseendet af faststofforbindelser før anden halvdel af årtiet:
> LG Chem bruger sulfider i faststofelementer. Kommercialisering af fast elektrolyt tidligst i 2028
Introduktionsfoto: Lithium-dendritter dannes på elektroden af en mikroskopisk lithium-ion-celle. Den store mørke figur på toppen er den anden elektrode. Den indledende "boble" af lithiumatomer skyder op på et tidspunkt og skaber et "whisker", der er grundlaget for den nye dendrit (c) PNNL Unplugged / YouTube:
Dette kan interessere dig:
