Водная литий-ионная батарея
Водная литий-ионная батарея — это литий-ионная батарея используется концентрированный солевой раствор (Li-ion), в которой в качестве электролита для облегчения переноса ионов лития между электродами и индуцирования электрического тока . [ 1 ] В отличие от неводных литий-ионных батарей, водные литий-ионные батареи негорючи и не представляют существенного риска взрыва из-за водной природы их электролита. Они также лишены ядовитых химикатов и экологических рисков, связанных с их неводными аналогами. [ 2 ] [ 3 ]
Использование литий-ионных аккумуляторов на водной основе в настоящее время строго ограничено из-за их узкого электрохимического окна стабильности (1,23 В). При создании с использованием традиционных методов водный литий-ионный аккумулятор имеет гораздо меньшую плотность энергии , чем неводный литий-ионный аккумулятор, и может достигать максимального напряжения только 1,5 вольт. Однако исследователи из Университета Мэриленда (UMD) и Армейской исследовательской лаборатории (ARL) позволили литий-ионной батарее на водной основе оставаться электрохимически стабильной при напряжении примерно 3,0 В и выдерживать серьезные внешние повреждения в степени, не встречающейся в обычных устройствах. водные литий-ионные аккумуляторы. [ 3 ]
Разработка
[ редактировать ]Прототип литий-ионной водной аккумуляторной батареи был впервые предложен Джеффом Даном в 1994 году, который использовал оксид лития-марганца в качестве положительного электрода и диоксид ванадия в бронзовой фазе в качестве отрицательного электрода. [ 4 ] В 2014 году группа исследователей под руководством Чуншунг Вана из UMD и Кан Сюй из ARL создала новый класс водных электролитов, названных водно-солевыми электролитами (WiSE) , принцип действия которых основан на принципе, согласно которому высокая концентрация определенного типа соль лития привела к образованию защитной промежуточной фазы твердого электролита (SEI) между поверхностями электродов и электролитом в батареях на водной основе. Раньше считалось, что такое явление может происходить только в неводных батареях. [ 2 ] [ 3 ] Используя этот подход для создания SEI, Ван и Сюй растворили чрезвычайно высокие концентрации бис(трифторметансульфонил)имида лития (LiTFSI) в воде (моляльность> 20 м), чтобы создать WiSE, который расширил окно напряжения с 1,5 В до примерно 3,0 В. [ 5 ] [ 6 ] Полученные водные литий-ионные батареи также были способны совершать циклические циклы до 1000 раз с почти 100% кулоновской эффективностью . [ 3 ]
В 2017 году исследовательская группа Вана и Сюя разработала «неоднородную добавку» для покрытия графитового электрода в их водной литий-ионной батарее, которая позволила батарее достичь порога 4 В и работать до 70 циклов на этом уровне или выше. [ 7 ] [ 8 ] Покрытие, созданное с использованием чрезвычайно гидрофобного и высокофторированного эфира (HFE), 1,1,2,2-тетрафторэтил-2',2',2'-трифторэтилового эфира , вытесняло молекулы воды с поверхности электрода. [ 1 ] [ 8 ] Это сводит к минимуму конкурирующее разложение воды и создает благоприятную среду для образования SEI. Эта версия батареи также продемонстрировала устойчивость к экстремальным уровням злоупотреблений из-за медленного реагирования SEI. [ 3 ] При порезах, внешних проколах, воздействии соленой воды и баллистических испытаниях аккумулятор не выделял дыма и возгорания и продолжал работать даже при серьезных внешних повреждениях. [ 6 ]
Приложения
[ редактировать ]Водные литий-ионные аккумуляторы представляют большой интерес для использования в военных целях благодаря своей безопасности и долговечности. В отличие от высоковольтных, но летучих неводных литий-ионных батарей, литий-ионные батареи на водной основе могут служить более надежным источником энергии на поле боя, поскольку внешнее повреждение батареи не ухудшит ее производительность и не приведет к ее взрыву. Кроме того, они менее тяжелы, чем традиционные батареи, и могут быть изготовлены в различных формах, что позволяет использовать более легкое оборудование и более эффективное размещение. [ 6 ]
Меньший риск опасности, связанный с водными литий-ионными батареями, делает их привлекательными для отраслей, производящих транспортные средства, в которых безопасность важнее плотности энергии, например, самолеты и подводные лодки. [ 8 ]
Проблемы
[ редактировать ]Узкий диапазон электрохимической стабильности водных литий-ионных батарей остается узким местом для разработки высокоэнергетических водных батарей с длительным сроком службы и безупречной безопасностью. [ 9 ] воды Электролиз происходит за пределами окна стабильности, вызывая образование газообразного кислорода или водорода. Поддержание низкого выходного напряжения позволяет избежать выделения газа и способствует стабильности цикла, однако ограничивает плотность энергии и использование электродов с высокой восстановительной и окислительной способностью. С другой стороны, непрерывное выделение газа из воды во время работы высоковольтной батареи или на холостом ходу снижает кулоновский КПД (CE) и вызывает серьезные проблемы с безопасностью из-за взрывов. [ 9 ]
Водные литий-ионные батареи имеют относительно короткий срок службы, от 50 до 100 циклов. По состоянию на 2018 год проводятся исследования по увеличению количества циклов до 500–1000 циклов, что позволит им реально конкурировать с другими типами батарей, имеющими более высокую плотность энергии. Кроме того, необходимо будет решить проблемы, связанные с производством защитного покрытия HFE, прежде чем можно будет масштабировать производство батарей для коммерческого использования. [ 8 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Малик, Рахул (сентябрь 2017 г.). «Водные литий-ионные аккумуляторы: теперь на расстоянии удара» . Джоуль . 1 (1): 17–19. дои : 10.1016/j.joule.2017.08.016 .
- ^ Перейти обратно: а б «Исследователи UMD и армии находят соленое решение для улучшения и безопасности батарей» . www.batterypoweronline.com . 2 декабря 2015 года . Проверено 10 июля 2018 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и Суо, Л.; Бородин О.; Гао, Т.; Ольгин, М.; Хо, Дж.; Фан, Х.; Луо, К.; Ван, К.; Сюй, К. (2015). « Электролит «вода в соли» позволяет проводить высоковольтные водные литий-ионные процессы». Наука . 350 (6263): 938–943. дои : 10.1126/science.aab1595 . ПМИД 26586759 . S2CID 206637574 .
- «Литий-ионные батареи на водной основе без риска взрыва теперь реальность» . Физика.орг . 6 сентября 2017 г.
- ^ Шен, Цзэ Сян (январь 2018 г.). » . энергия и окружающая среда Чэнь , « Лю , Цзилей ; Чжэнь ; Зеленая /j.gee.2017.10.001 .
- ^ Сюй, Кан; Ван, Чуньшэн (6 октября 2016 г.). «Батареи: расширение окна напряжения». Энергия природы . 1 (10): 16161. Бибкод : 2016NatEn...116161X . дои : 10.1038/nenergy.2016.161 . S2CID 100576016 .
- ^ Перейти обратно: а б с Хопкинс, Джина (16 ноября 2017 г.). «Смотреть: порезы и погружения не останавливают появление новых литий-ионных аккумуляторов — будущее» . Будущее . Проверено 10 июля 2018 г.
- ^ Ян, Чен, Цзи; Фань, Сюлин; фон Крес, Артур; Бородин, Дженель; Маршалл А.; , Чуньшэн, Кан (сентябрь 2017 г.). ионные батареи 4,0 В» , Джоуль Водные литий - 1 1): ( « 122–132 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Шелметик, Трейси (22 сентября 2017 г.). «Инженеры исследовательской лаборатории UMD и армии США разрабатывают водную литий-ионную батарею 4.0» . Новости дизайна . Проверено 10 июля 2018 г.
- ^ Перейти обратно: а б Суй, Имин; Цзи, Сюлей (9 июня 2021 г.). «Антикаталитические стратегии подавления электролиза воды в водных батареях». Химические обзоры . 121 (11): 6654–6695. doi : 10.1021/acs.chemrev.1c00191 . ISSN 0009-2665 . ПМИД 33900728 . S2CID 233409171 .
Источники
[ редактировать ]- Лян, Яньлян; Яо, Ян (15 ноября 2022 г.). «Проектирование современных водных аккумуляторов». Материалы обзоров природы . 8 (2): 109–122. дои : 10.1038/s41578-022-00511-3 . eISSN 2058-8437 .