Системы хранения энергии востребованы как никогда. Миллиардам мобильных телефонов и планшетов требуется электричество. Добавьте к этому растущее количество электромобилей.
Но высокопроизводительные батареи также могут хранить возобновляемую энергию, вырабатываемую ветряными турбинами и солнечными элементами, чтобы ее можно было подавать в сеть в пасмурные и безветренные дни.«Производители аккумуляторных батарей основываются на проверенной литий-ионной технологии, которая уже много лет используется в мобильных устройствах, таких как ноутбуки и сотовые телефоны», — сообщает исследователь TUM Майкл Метцгер. «Однако задача адаптации этой технологии к требованиям электромобильности и стационарного накопления электроэнергии не является тривиальной».Стандартные аккумуляторные батареи лишь незначительно подходят для обеспечения высокой производительности: «Чтобы повысить плотность энергии, вам нужно увеличить напряжение или емкость, и именно здесь традиционные электродные материалы и электролитические жидкости достигают своих пределов», — объясняет физик.
Таким образом, исследования во всем мире идут полным ходом. Например, инженеры экспериментируют со специальными материалами электродов, которые могут обеспечить напряжение почти 5 вольт вместо максимального тока 4,2-4,3 вольт.
Проконсультируйтесь со своим инженером о рисках и побочных эффектах.Но у этого «допинга батареи» есть и побочные эффекты. Изменения химического состава электродов и электролитов могут привести к снижению производительности аккумулятора после нескольких циклов зарядки или к образованию газов на электродах, которые вызывают раздутие аккумуляторов.«Будущее литий-ионных батарей зависит от борьбы с этими нежелательными реакциями», — прогнозирует Мецгер.
Он уже выполнил одно предварительное условие для этого: химические процессы, которые происходят во время зарядки и разрядки, можно детально исследовать с помощью новой аккумуляторной испытательной ячейки, которую он разработал вместе со своей командой.Тестовая ячейка для батарей будущегоИсследователи потратили три года на работу над своим аппаратом. «Обычно электролитические жидкости и электроды — положительный катод и отрицательный анод — находятся в постоянном электрохимическом обмене», — говорит Метцгер. «До сих пор не было возможности исследовать реакции на аноде и катоде независимо друг от друга.
Мы первые, кому это удалось».Ключ: испытательная ячейка батареи, которая, как и любая литий-ионная батарея, состоит из анода, катода и электролитов, не полностью герметична, а скорее снабжена тонким капилляром. Это позволяет отбирать пробы и исследовать газы, которые выделяются во время зарядки и разрядки, с помощью масс-спектрометра.Для изучения процессов на анодах и катодах независимо друг от друга инженеры также модифицировали мембрану — тонкую стеклокерамическую пластинку, покрытую алюминием и синтетикой, — чтобы сделать ее проницаемой не только для ионов лития, но и для всех других компонентов. электролитическая жидкость.
Вода — яд для батареи
Используя свою испытательную ячейку, исследователи впервые смогли точно объяснить, что происходит внутри высоковольтной батареи. Результаты показывают, что стабильность электродов и электролитов зависит от нескольких факторов, например, зарядного напряжения, рабочей температуры и даже мельчайших химических примесей:Чем выше приложенное напряжение и температура, тем быстрее разлагается электролитическая жидкость.
Выделяющиеся при этом газы, в основном оксид углерода и диоксид углерода, могут вызвать раздутие корпуса батареи.Даже малейшие следы воды, которые проникают в элемент, выделяют водород на аноде и действуют как окислитель на углерод в катоде. Это ухудшает проводимость электрода.Химические реакции, происходящие на аноде и катоде, приводят к взаимодействиям.
Эти перекрестные помехи, которые до сих пор практически не исследовались, снижают общую производительность ячейки.Измерение на практике«Для промышленных конечных пользователей новая методология измерений чрезвычайно интересна, — говорит профессор Хуберт Гастайгер, заведующий кафедрой технической электрохимии. «В наших исследованиях мы смогли показать, что образование газов в батареях можно уменьшить, добавляя правильные добавки к электролитической жидкости или подавляя перекрестные помехи между электродами».В частности, один результат исследования имеет прямое следствие на практике: чем выше желаемое напряжение, тем меньше остаточной влаги могут содержать материалы. Производители могли бы продлить срок службы будущих элементов, заменив этиленкарбонат электролита более стабильными компонентами раствора.
Но вот черт в деталях: в существующих системах требуется небольшое количество этиленкарбоната для усмирения анода. Новая ячейка позволяет независимо наблюдать процессы на аноде и катоде, что может привести к открытию совершенно новых решений.