6 Minuten
Kodėl litio‑sieros baterijos svarbios — ir kas jas stabdo
Litio‑sieros (Li‑S) baterijos tampa patrauklia alternatyva šiandieninėms litio‑jonų ląstelėms elektrinėse transporto priemonėse (EV) ir ilgų nuotolių pritaikymuose. Siera yra gausi ir pigi, Li‑S ląstelės pagal masę gali saugoti daugiau energijos, o ankstyvieji dizainai pasižymi didesniu saugumu ir greitesniu įkrovimu. Tačiau nuolatinė problema — vadinamasis „shuttle“ efektas — iki šiol trukdo Li‑S chemijai pasiekti komercinį mastą.
Shuttle efektas atsiranda, kai litio polisulfidai (LPS), tarpinės sieros formos, susidarančios įkrovimo ir iškrovimo metu, ištirpsta elektrolite ir migruoja tarp katodo ir anodo. Ši migracija sukelia aktyviosios medžiagos praradimą, spartų talpos mažėjimą ir trumpą ciklų skaičių. Praktikoje daugelis eksperimentinių Li‑S ląstelių, kurios iš pradžių gali susilyginti su litio‑jonų energijos tankiu, vis tiek praranda naudingo nuotolio jau po kelių šimtų pilnų įkrovimo/iškrovimo ciklų.
Noregiško mokslų ir technologijų universiteto (NTNU) tyrėjai nukreipė dėmesį į šį siaurąją vietą naudodami naują požiūrį — jie modifikuoja baterijos separatorių, o ne perprojektuoja katodus ar elektrolitus. Jų sprendimas — patentuotas itin plonas sluoksnis pavadinimu HiSep‑II — veikia kaip selektyvus filtras, blokuojantis kenksmingus polisulfidus ir kartu leidžiantis laisvai praeiti ličio jonams, taip sprendžiant pagrindinį shuttle efekto mechanizmą.
HiSep‑II: itin plonas „išmanus“ separatoriaus dangalas
Kiekvienoje įkraunamoje baterijoje separatorius fiziškai skiria teigiamą ir neigiamą elektrodus, kad būtų užkirstas kelias trumpiesiems jungimams, bet leistų jonų pralaidumą. HiSep‑II inovacija yra superplonas dangalas, užpurškiamas ant separatoriaus išorinės pusės. Skirtingai nei storesnės membranos ar sudėtingi cheminiai gaudyklės, šis sluoksnis sukurtas taip, kad būtų lengvas, gaminamas mastu ir suderinamas su esamomis ličio pagrindo ląstelėmis.
Kaip veikia „išmanusis“ filtras
HiSep‑II veikia kaip dydžio ir chemijos atžvilgiu selektyvus barjeras. Jo projektuota paviršiaus struktūra ir porėtumas sulaiko ištirpusius litio polisulfidus prie katodo pusės, tuo tarpu leidžia ličio jonams (Li+) laisvai judėti tarp elektrodų įkrovimo ir iškrovimo metu. Ribodamas polisulfidų sklaidą, dangalas neleidžia nuolatiniam aktyvios sieros praradimui ir anodo paviršiaus pasyvinimo sluoksnių susidarymui — mechanizmams, kurie paprastai lemia spartų talpos mažėjimą Li‑S ląstelėse.
NTNU tyrėjai užsitikrino intelektinę nuosavybę šiai technologijai per HiSep‑II projektą ir bendradarbiauja su NTNU Technology Transfer (TTO), kad dangalas būtų komercializuotas. Komanda pabrėžia, jog gamybos procesas sukurtas aplinkai draugišku būdu, lengvai mastinamas ir dangalas gali būti įdiegtas į esamas ličio pagrindo baterijų gamybos linijas.
Veikimo pagerinimai, masės taupymas ir platesnė reikšmė
Laboratoriniai bandymai, atlikti NTNU Gløshaugen patalpose, rodo žymų Li‑S ląstelių ciklo ilgio pagerėjimą su HiSep‑II danga. Tipinės bandomosios Li‑S ląstelės laboratorijoje pasiekdavo apie 200 pilnų įkrovimo/iškrovimo ciklų prieš prasidedant reikšmingam talpos praradimui. Su HiSep‑II separatoriumi ciklų skaičius padidėjo iki maždaug 1 000 ciklų — penkis kartus ilgesnis gyvavimo laikas, kuris Li‑S chemiją perkelia į daug praktiškesnį taikymo lauką.
Be ciklo ilgio prailginimo, HiSep‑II suteikia sistemos lygmens privalumų. Tyrėjai apskaičiavo, kad 800 voltų EV baterijų paketas, įtraukiantis šią technologiją, galėtų sumažėti daugiau nei 200 kilogramų, nes didesnis energijos tankis ir pagerintas aktyvios medžiagos išsaugojimas leidžia projektuotojams taikyti mažiau redundancijos ir naudoti mažiau sunkių konstrukcinių komponentų. Rezultatas būtų lengvesni automobiliai, geresnis efektyvumas ir ilgesnis nuvažiuojamas atstumas.
Saugumas ir kaina — papildomi privalumai: siera yra pigi ir gausi, o dangalo suderinamumas su esamomis ličio technologijomis daro jį patraukliu kandidatų aviacijai, kosmoso pramonei, dronams, jūriniam transportui ir energijos tinklų saugojimui — sektoriams, kuriuose ilgaamžiškumas, mažas svoris ir stabilumas yra itin svarbūs.
Ekspertų įžvalga
"Ciklo ilgio padidinimas penkis kartus išlaikant mažą masę yra esminis poslinkis Li‑S pritaikymui," sako dr. Maria Chen, akumuliatorių sistemų inžinierė, turinti patirties aviacijos galios sistemose. "Dėmesys separatoriams yra protingas: sprendžiama medžiagų sąsajos transportavimo problema, o ne priverčiama naudoti sudėtingas naujas katodų chemijas ar egzotiškus elektrolitus. Jei nepriklausomi bandymai patvirtins laboratorinius rezultatus ir dangalas bus mastinamas reprodukuojamai, HiSep‑II gali atverti Li‑S kelią aukštos vertės mobilumo ir saugojimo pritaikymams, kur svarbiausia energijos tankis ir saugumas."
Ši, atrodytų, nepriklausoma perspektyva pabrėžia dvi realybes: būtina trečiųjų šalių validacija, o sistemos integracija — nuo ląstelės gamybos iki paketo konstrukcijos ir terminio valdymo — lems realų našumą.
Mastinimas, bandymai ir komercinės perspektyvos
Prieš HiSep‑II pasieksiant komercinius produktus liko keletas žingsnių. Nepriklausomi trečiųjų šalių bandymai turi patikrinti ilgalaikį stabilumą, saugumą ir nuoseklų veikimą integravus dangalą į pilnas ląsteles ir baterijų paketus. Gamybiniai bandymai turės parodyti, kad dangalas gali būti taikomas patikimai esant dideliam pralaidumui, išlaikant nuoseklią kokybę ir priimtiną kainą.
NTNU TTO aktyviai ieško pramonės partnerių, kurie finansuotų papildomą patentavimą bei vadovautų mastinimo ir validacijos bandymams. Kristina Nydal, TTO verslo plėtros specialistė, pabrėžia technologijos tarpsektorinį potencialą: "Mūsų tikslas — licencijuoti HiSep‑II, kad jis būtų naudojamas nuo EV iki didelio masto atsinaujinančios energijos saugojimo. Tai perspektyvu sektoriams, kuriuose ilgaamžiškumas ir saugumas yra neabejotini reikalavimai."
Komercinis priėmimas priklausys nuo dokumentuotų gyvavimo laiko padidėjimų, kainos už kilovatvalandę, integracijos sudėtingumo ir reguliacinio patvirtinimo naujiems baterijų komponentams. Tačiau koncepcija — plonesnis, mastinamas separatoriaus dangalas, mažinantis shuttle efektą — siūlo pragmatišką kelią padaryti Li‑S ląsteles komerciškai gyvybingas be visiško ląstės chemijos pertvarkymo.
Išvados
HiSep‑II yra itin plonas separatoriaus dangalas, sukurtas NTNU, kuris taikosi į litio polisulfidų shuttle efektą — pagrindinę spartaus talpos praradimo priežastį litio‑sieros baterijose. Laboratoriniai rezultatai rodo iki penkių kartų ciklo ilgio padidėjimą ir galimą sistemos lygmens masės taupymą, kuris galėtų transformuoti EV baterijų paketus, aviacijos galios sistemas ir energijos saugojimą. Technologijos gamybos galimybės, aplinkos suderinamumas ir suderinamumas su esama ličio pagrindo gamyba daro ją perspektyviu komercializacijos kandidatu — jei nepriklausoma validacija ir pramoninis mastinimas patvirtins laboratorinį našumą. Jeigu šie etapai bus sėkmingai įveikti, HiSep‑II gali tapti lemiamu žingsniu link prieinamų, lengvesnių ir ilgaamžiškesnių Li‑S baterijų įvairioms transporto ir saugojimo reikmėms.
Quelle: techxplore
Kommentare