Стеклянная батарея
Стеклянная батарея — это разновидность твердотельной батареи . В нем используется стеклянный электролит и литиевые или натриевые металлические электроды . [1] [2] [3] [4]
История развития [ править ]
Батарея была изобретена Джоном Б. Гуденафом , изобретателем из оксида лития-кобальта и литий-железо-фосфата, электродных материалов используемых в литий-ионной батарее (Li-ion), и Марией Х. Брага , доцентом Университета Порту. [5] и старший научный сотрудник Инженерной школы Кокрелла Техасского университета . [1]
Статья с описанием батареи была опубликована в журнале Energy & Environmental Science в декабре 2016 года; [6] С тех пор также был опубликован ряд последующих работ. [7] Hydro-Québec изучает возможность производства батареи. [8]
стекольного Исследование электролита
В сентябре 2016 года Университет штата Айова получил грант в размере 1,6 миллиона долларов США на разработку новых стеклообразных твердых электролитов с литий-ионной проводимостью. [9] В августе 2019 года было объявлено, что GM наградило Министерство энергетики США 2 миллиона долларов США за исследования «фундаментального понимания межфазных явлений в твердотельных батареях» и «горячего прессования усиленных твердотельных батарей с сульфидный стеклянный электролит». [10]
Скептицизм и реакция на скептицизм [ править ]
Первоначальная публикация в декабре 2016 года была встречена со значительным скептицизмом другими исследователями в области аккумуляторных технологий, при этом некоторые отметили, что неясно, как получается напряжение батареи, учитывая, что на обоих электродах присутствует чистый металлический литий или натрий, что не должно вызывать разницы в электрохимический потенциал и, следовательно, не дают напряжения на ячейке . [3] Таким образом, любая энергия, запасаемая или выделяемая батареей, нарушает первый закон термодинамики . Однако высокой репутации Гуденаф было достаточно, чтобы сдержать самую резкую критику: Дэниел Стейнгарт из Принстонского университета прокомментировал: «Если бы кто-то, кроме Гуденаф, опубликовал это, я был бы… ну, трудно подобрать вежливое слово». [3] Официальный комментарий опубликовали Стейнгарт и Венкат Вишванатан из Университета Карнеги-Меллона, специализирующиеся на энергетике и науках об окружающей среде . [11]
Гуденаф ответил на скептицизм, заявив: «Ответ заключается в том, что если литий, нанесенный на катодный токосъемник, достаточно тонкий, чтобы его реакция с токосъемником привела к снижению его энергии Ферми до энергии токосъемника, энергия Ферми токосъемника литиевый анод выше, чем у тонкого лития, нанесенного на катодный токосъемник». Гуденаф сказал, В более позднем интервью Slashdot что литий, нанесенный на катод, имеет «толщину порядка микрона ». [12]
Ответ Гуденаф вызвал дополнительный скептицизм со стороны Дэниела Стейнгарта, а также Мэтью Лейси из Уппсальского университета , которые отмечают, что этот эффект осаждения под пониженным потенциалом известен только для чрезвычайно тонких слоев ( монослоев ) материалов. [13] [14] Лэйси также отмечает, что в оригинальной публикации не упоминается предел толщины лития, нанесенного на катод, а вместо этого утверждается обратное: емкость элемента «определяется количеством щелочного металла, используемого в качестве анода». [6]
Строительство и электрохимия [ править ]
Батарея, как сообщается в оригинальной публикации, [6] состоит из щелочного металла ( литиевой или натриевой фольги) в качестве отрицательного электрода (анода) и смеси углерода и окислительно-восстановительного активного компонента в качестве положительного электрода (катода). Катодная смесь наносится на медную фольгу. Активным окислительно-восстановительным компонентом является сера , ферроцен или диоксид марганца . Электролит представляет собой с высокой проводимостью, стекло образованное из гидроксида лития и хлорида лития , что позволяет и легированное барием быстро заряжать аккумулятор без образования металлических дендритов . [2]
В публикации говорится, что батарея работает во время разряда путем удаления щелочного металла с анода и повторного осаждения его на катоде, при этом напряжение батареи определяется окислительно-восстановительным активным компонентом, а емкость батареи определяется количеством анода щелочного металла. . Этот рабочий механизм радикально отличается от механизма вставки ( интеркаляции ) большинства обычных материалов литий-ионных аккумуляторов.
описали новую версию В 2018 году большинство тех же авторов в Журнале Американского химического общества , в которой катод покрыт специальным раствором пластификатора, чтобы избежать растрескивания поверхности раздела, поскольку разные материалы расширяются с разной скоростью. Брага говорит, что новая батарея имеет вдвое большую плотность энергии, чем обычные литий-ионные батареи, и ее можно перезаряжать 23 000 раз. [15] [16] [17] Критики отметили в статье несколько необычных заявлений, таких как рекордно высокая относительная диэлектрическая проницаемость ; возможно, выше, чем у любого зарегистрированного материала, и увеличивает емкость батареи в течение многих циклов зарядки, а не ее уменьшение, как это обычно происходит со всеми другими аккумуляторными технологиями. [17] [16] В документе также неясно, сможет ли батарея удерживать заряд после отключения от сети, что прояснит, действительно ли это новая технология производства батарей или просто конденсатор. [17] Брага ответил критикам, сказав: «Данные есть данные, и у нас есть схожие данные из множества разных ячеек, в четырех разных приборах, разных лабораториях, перчаточном боксе. И, в конце концов, светодиоды горят целыми днями с очень маленькой количество активного материала после более чем 23 000 циклов». [17] [16]
Сравнение с литий-ионными аккумуляторами [ править ]
Брага и Гуденаф заявили, что ожидают, что плотность энергии батареи будет во много раз выше, чем у нынешних литий-ионных батарей, а также диапазон рабочих температур до -20 ° C (-4 ° F); намного ниже, чем у современных твердотельных батарей. [1] [3] [6] Утверждается также, что электролит имеет широкое электрохимическое окно . [18] Конструкция аккумулятора безопаснее, чем у литий-ионных аккумуляторов, поскольку исключается использование легковоспламеняющегося жидкого электролита. [2] Батарея также может быть изготовлена с использованием недорогого натрия вместо лития. [2]
Авторы утверждают, что время зарядки аккумулятора гораздо короче, чем у литий-ионных аккумуляторов, — оно составляет минуты, а не часы. Авторы также заявляют, что они проверили стабильность границы раздела щелочной металл/электролит в течение 1200 циклов зарядки с низким сопротивлением элемента; [1] спецификация для литий-ионных аккумуляторов обычно меньше тысячи. [19] [20]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д «Изобретатель литий-ионных аккумуляторов представляет новую технологию быстрой зарядки негорючих аккумуляторов» . Новости Техасского университета. 28 февраля 2017 года . Проверено 22 марта 2017 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д Моррис, Дэвид (6 марта 2017 г.). «Литий-ионный пионер представляет новую батарею, которая в три раза лучше» . Удача . Проверено 23 марта 2017 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д Левен, Стив (20 марта 2017 г.). «Сделал ли гений литиевых батарей Джон Гуденаф снова это? Коллеги настроены скептически» . Кварц . Проверено 21 марта 2017 г.
- ^ Тироне, Джонатан (15 марта 2017 г.). «Обещание Шмидта от Google в отношении новой батареи Goodenough» . Новости Блумберга . Блумберг . Проверено 21 марта 2017 г.
- ^ «ФЭУП – Хелена Брага» .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д Брага, Миннесота; Грандиш, Н.С.; Мерчисон, Эй Джей; Гуденаф, Дж. Б. (9 декабря 2016 г.). «Альтернативная стратегия безопасной аккумуляторной батареи» . Энергетика и экология . 10 : 331–336. дои : 10.1039/C6EE02888H .
- ^ Сакаи, М. (2023). «Модели катодной реакции для Na-ферроценовых и Li-MnO2 аккумуляторных батарей Брага-Гуденафа» . Журнал электрохимической науки и техники . 13 (4): 687–711. дои : 10.5599/jese.1704 .
- ^ «Полная перезагрузка страницы» . IEEE Spectrum: Новости технологий, техники и науки . 24 февраля 2020 г. Проверено 6 марта 2020 г.
- ^ «Сильная, высокая ионная проводимость Li+, непроницаемые для лития тонкие ленточные стеклообразные твердые электролиты» . Агентство перспективных исследовательских проектов - Энергетика . 13 сентября 2016 г. Архивировано из оригинала 27 апреля 2017 г.
- ^ Шимковски, Шон. «США наградили General Motors 2 миллионами долларов за исследование твердотельных аккумуляторов» . Роуд-шоу . Проверено 18 августа 2019 г.
- ^ Стейнгарт, Дэниел А.; Вишванатан, Венкатасубраманиан (17 января 2018 г.). «Комментарий к «Альтернативной стратегии безопасной перезаряжаемой батареи» М. Х. Браги, Н. С. Грандиша, А. Дж. Мерчисона и Дж. Б. Гуденаф, Energy Environ. Sci., 2017, 10, 331–336». Энергетика и экология . 11 (1): 221–222. дои : 10.1039/C7EE01318C . ISSN 1754-5706 .
- ^ «Интервью Slashdot с изобретателем литий-ионных батарей Джоном Б. Гуденафом - Slashdot» . hardware.slashdot.org . 19 апреля 2017 года . Проверено 21 июня 2017 г.
- ^ Стейнгарт, Дэн (4 марта 2017 г.). «Редокс без редокс» . несчастный тетраэдр . Проверено 21 июня 2017 г.
- ^ «О скептицизме вокруг «батарейки Гуденаф» · Мэтт Лэйси» . Лейси.se . 28 марта 2017 г. Проверено 21 июня 2017 г.
- ^ Брага, Мария Хелена; М. Субраманиям, Чандрасекар; Мерчисон, Эндрю Дж.; Гуденаф, Джон Б. (24 апреля 2018 г.). «Нетрадиционные, безопасные, высоковольтные аккумуляторные элементы с длительным сроком службы». Журнал Американского химического общества . 140 (20): 6343–6352. дои : 10.1021/jacs.8b02322 . ПМИД 29688709 . S2CID 13660262 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с «Твердотельная литий-ионная батарея — Джон Гуденаф наконец сделал это?» . ЧистаяТехника . 26 июня 2018 года . Проверено 6 декабря 2018 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д ЛеВайн, Стив (3 июня 2018 г.). «Пионер в области аккумуляторов совершил новый удивительный прорыв» . Аксиос . Проверено 6 декабря 2018 г.
- ^ Брага, Миннесота; Феррейра, Дж.А.; Штокхаузен, В.; Оливейра, JE; Эль-Азаб, А. (18 марта 2014 г.). «Новые стекла на основе Li3ClO с суперионными свойствами для литиевых батарей». Журнал химии материалов А. 2 (15): 5470–5480. дои : 10.1039/c3ta15087a . hdl : 10400.9/2664 . ISSN 2050-7496 .
- ^ Тим Де Чант, «Супербезопасная стеклянная батарея заряжается за считанные минуты, а не часы» , NovaNext , 17 марта 2017 г.
- ^ Марк Андерсон, «Ускорит ли новая стеклянная батарея конец нефти?» , IEEE Spectrum , 3 марта 2017 г.