Незалежно від продуктивності, вартості чи міркувань безпеки, повністю твердотільні акумуляторні батареї є найкращим вибором для заміни викопної енергії та, зрештою, реалізації шляху до нових транспортних засобів на енергії.
Як винахідник катодних матеріалів, таких як LiCoO2, LiMn2O4 і LiFePO4, Гуденаф добре відомий у галузілітій-іонні акумуляториі справді є «батьком літій-іонних батарей».
У недавній статті в NatureElectronics Джон Б. Гуденаф, якому 96 років, розглядає історію винаходу перезаряджуваної літій-іонної батареї та показує шлях вперед.
У 1970-х роках у США вибухнула нафтова криза. Усвідомлюючи свою надмірну залежність від імпорту нафти, уряд почав серйозні зусилля з розвитку сонячної та вітрової енергетики. Через переривчастий характер сонячної та вітрової енергії,акумуляторні батареїзрештою знадобилися для зберігання цих поновлюваних і чистих джерел енергії.
Ключем до оборотного заряджання та розряджання є оборотність хімічної реакції!
У той час більшість неперезаряджуваних батарей використовували літієві негативні електроди та органічні електроліти. Щоб створити акумулятори, усі почали працювати над оборотним впровадженням іонів літію в шаруваті сульфідні катоди перехідних металів. Стенлі Уіттінгем з ExxonMobil виявив, що оборотний заряд і розряд можна досягти за допомогою інтеркаляційної хімії з використанням шаруватого TiS2 як катодного матеріалу, а продуктом розряду є LiTiS2.
Ця клітина, розроблена Вітінгемом у 1976 році, досягла хорошої початкової ефективності. Однак після кількох повторів зарядки та розрядки всередині елемента утворилися літієві дендрити, які росли від негативного до позитивного електрода, створюючи коротке замикання, яке могло запалити електроліт. Ця спроба знову закінчилася провалом!
Тим часом Гуденаф, який переїхав до Оксфорда, досліджував, скільки літію може бути максимально вилучено з шаруватих катодних матеріалів LiCoO2 і LiNiO2 до зміни структури. Зрештою, вони досягли оборотного видалення більш ніж половини літію з матеріалу катода.
Це дослідження зрештою спонукало Акіру Йошіно з AsahiKasei підготувати першийакумуляторна літій-іонна батарея: LiCoO2 як позитивний електрод і графітовий вуглець як негативний електрод. Цей акумулятор успішно використовувався в перших мобільних телефонах Sony.
Щоб знизити витрати та підвищити безпеку. Повністю тверда акумуляторна батарея з твердим електролітом, здається, є важливим напрямком майбутнього розвитку.
Ще в 1960-х роках європейські хіміки працювали над оборотним впровадженням іонів літію в шаруваті сульфідні матеріали перехідних металів. У той час стандартними електролітами для акумуляторних батарей були переважно сильні кислотні та лужні водні електроліти, такі як H2SO4 або KOH. Тому що в цих водних електролітах H+ має хорошу дифузію.
У той час найстабільніші акумуляторні батареї виготовлялися з шаруватим NiOOH як катодним матеріалом і сильним лужним водним електролітом як електроліт. h+ може бути оборотно вбудований у шаруватий катод NiOOH з утворенням Ni(OH)2. Проблема полягала в тому, що водний електроліт обмежував напругу батареї, що призводило до низької щільності енергії.
У 1967 році Джозеф Куммер і Ніл Вебер з Ford Motor Company виявили, що Na+ має хороші дифузійні властивості в керамічних електролітах вище 300 °C. Потім вони винайшли Na-S акумуляторну батарею: розплавлений натрій як негативний електрод і розплавлені вуглецеві смуги, що містять сірку, як позитивний електрод. У результаті вони винайшли Na-S акумуляторну батарею: розплавлений натрій як негативний електрод, розплавлена сірка, що містить вуглецеву смугу, як позитивний електрод, і тверда кераміка як електроліт. Однак робоча температура 300°C прирекла цей акумулятор на неможливість комерційного використання.
У 1986 році Goodenough реалізував повністю твердотільну акумуляторну літієву батарею без генерації дендритів за допомогою NASICON. В даний час повністю перезаряджаються твердотільні літієві та натрієві батареї на основі твердотільних електролітів, таких як NASICON, були комерціалізовані.
У 2015 році Марія Хелена Брага з Університету Порту також продемонструвала ізолюючий пористий оксидний твердий електроліт з провідністю іонів літію та натрію, порівнянну з органічними електролітами, які зараз використовуються в літій-іонних батареях.
Коротше кажучи, незалежно від продуктивності, вартості чи міркувань безпеки, повністю твердотільні акумуляторні батареї є найкращим вибором для заміни викопної енергії та, зрештою, реалізації шляху до нових транспортних засобів на енергії!
Час публікації: 25 серпня 2022 р