Как литий-металл удваивает плотность энергии аккумуляторных батарей
Новое поколение перезаряжаемых литиево-металлических батарей имеет удвоенную энергетическую емкость литий-ионных батарей.
Компания SolidEnergy Systems, основанная Qichao Hu в 2012 году, объявила о выпуске новой перезаряжаемой литиево-металлической батареи, которая в два раза превышает энергетическую емкость обычной литий-ионной батареи для заданного размера и веса батареи.
Новая батарея столь же безопасна и долговечна, как литий-ионный аккумулятор. Учитывая широкое использование литий-ионных батарей в смартфонах, электромобилях, дронах и т. Д., Изобретение является большим шагом. Батарея может заставить эти устройства работать в два раза дольше или сделать их миниатюрную версию выполнимой.
Святой Грааль аккумуляторной промышленности
В течение десятилетий исследователи знали преимущества литиево-металлических батарей (т. Е. Более высокую плотность энергии и меньший размер). Однако эти батареи до сих пор не перезаряжались и, как известно, взрывались. Эти две характеристики связаны с реакцией, которая происходит между литиевым металлом и электролитом батареи.
Эта реакция не только производит соединения, которые увеличивают сопротивление в батарее и сокращают срок службы, но также формируют мшистые литиево-металлические удары на аноде, что приводит к короткому замыканию. Короткое замыкание создает высокую температуру и воспламеняет воспламеняющийся электролит.
Как правило, меры, принятые для обеспечения безопасности этих батарей, снижают его энергоэффективность.
Это новое поколение литиево-металлических батарей борется с этой проблемой, изменяя материалы внутри батареи, чтобы изменить химию.
Литиево-металлическая фольга-аноды
Чтобы увеличить энергоемкость, SolidEnergy использует очень тонкую литиевую металлическую фольгу с высокой энергией вместо обычного анодного материала, графита. Это удваивает плотность энергии за счет увеличения числа ионов, удерживаемых литиевым металлом.
Кроме того, использование ультратонкой литиево-металлической фольги, которая в пять раз тоньше традиционного литий-металлического анода и в несколько раз тоньше, чем традиционные графитовые, углеродные или кремниевые аноды-исследователи, уменьшили размер батареи в два раза.
Первый прототип новой батареи, представленный в октябре 2015 года, был в два раза меньше литиево-ионной батареи для iPhone 6. Он обеспечивал часы на 2, 0 ампера, тогда как литий-ионный аккумулятор обеспечивает 1, 8 ампер часов. Этот успешный дебют заработал 12 миллионов долларов инвестиций для компании.
Литиево-металлическая батарея по сравнению с литий-ионным аккумулятором, установленным в iPhone. Изображение предоставлено компанией Business Wire
Аккумуляторная и безопасная литий-металлическая батарея
Ху использовал ультратонкую литиево-металлическую фольгу в качестве анода, чтобы значительно уменьшить размер батареи. Однако достигнутая батарея работала только при температуре 80 градусов Цельсия или выше и не могла использоваться во многих коммерческих приложениях.
Литиево-металлические батареи часто более летучие и недолговечные, чем литий-ионные. Чтобы прийти к перезаряжаемому и безопасному решению, компания должна была внести химические изменения в электролит. Их решение заключалось в разработке твердого и жидкого гибридного электролита.
Ху использовал твердый электролит в качестве покрытия для литиево-металлической фольги, чтобы снизить рабочую температуру батареи. Более того, он представил новый квазиионный жидкий электролит, который является негорючим и не оказывает неблагоприятного воздействия на металл лития.
Результатом стала батарея, которая предлагала энергетическую емкость литий-ионных батарей при комнатной температуре и обеспечивала безопасность и долговечность литий-ионных батарей.
Масштабируемость производства
Еще одна впечатляющая особенность заключается в том, что производственное оборудование, необходимое для создания этих батарей, такое же, как у литиево-ионных батарей. Это означает, что они могут быть коммерчески доступны относительно быстро.
Достижение этой производственной способности на самом деле является историей обстоятельств, влияющих на дизайн.
Когда Ху Цзиньтао создал SolidEnergy в 2012 году, широко известный MIT-аккумулятор A123, который разрабатывал литий-ионные батареи, подавал заявление о банкротстве. Сначала это было пугающим для SolidEnergy. Тем не менее, Ху закончил использовать производственную линию A123, когда-то бездействующую, чтобы построить первое поколение литиево-металлических батарей.
Разработка литий-металлической батареи. Изображение предоставлено MIT Technology Review
Поскольку у SolidEnergy не было никаких средств, нет финансирования и нет лабораторий по созданию батарей, компания была вынуждена адаптировать свои прототипы к существующему литий-ионному производственному оборудованию. Конечным результатом стала новая технология, изготовленная с использованием имеющихся в продаже инструментов.
По словам Ху, многие компании-производители аккумуляторов делают все наоборот, главным образом концентрируясь на материалах и создавая собственные лаборатории на основе материалов, с которыми они будут работать. Поскольку они используют прототип, используя совершенно новые производственные процессы, их аккумулятор не может быть легко адаптирован к коммерческой производственной линии.
Целевые рынки: начиная с дронов
SolidEnergy имеет невероятно агрессивное расписание продажи батареек для смартфонов и носителей в начале 2017 года и для электромобилей в 2018 году. Первой целью компании является рынок беспилотных летательных аппаратов, которые они намерены покрыть в ноябре этого года.
Учитывая растущий интерес некоторых компаний к обеспечению доступа в Интернет в сельских районах с использованием беспилотных летательных аппаратов и воздушных шаров, SolidEnergy планирует предложить свою первую серию батарей для беспилотных приложений. Продажа батареек для использования беспилотных приложений может стать хорошей стратегией для внедрения новой батареи на рынок.
Обратите внимание, что есть батарейные компании, которые потерпели неудачу из-за установленных поставщиков батарей, таких как Panasonic, которые, например, заключили контракт на несколько миллиардов долларов с электромобилем Tesla. Тем не менее, недавно растущий специализированный рынок беспилотных самолетов может дать SolidEnergy шанс привлечь внимание других клиентов и вывести технологию на рынок.
К сожалению, компания не выпустила много деталей, таких как стоимость за кВтч для аккумулятора. Однако, если технология ударит по рынку, это будет иметь огромное общественное влияние.
Например, электрический автомобиль, который теперь проходит 200 миль за один заряд, сможет либо проехать 400 миль за заряд, либо уменьшить его размер и вес батареи в два раза. Развитие этого импорта могло бы наконец помочь потребителям преодолеть в значительной степени раздутый страх перед «беспокойством диапазона», когда речь идет об электромобилях.
Короче говоря, эти батареи могут изменить то, как мир рассматривает энергию. И с производством и инвестициями за литиево-металлическими батареями, это может быть недолго, пока мы не узнаем.