Новые кембриджские исследования могут улучшить характеристики аккумуляторов для электромобилей
Исследование может помочь в улучшении существующих материалов для аккумуляторов и ускорить разработку аккумуляторов следующего поколения.
Неравномерное движение ионов лития может снижать производительность электрической батареи.
Исследователи обнаружили, что неравномерное движение ионов лития может ухудшить производительность и емкость аккумуляторных материалов следующего поколения. Команда, возглавляемая Кембриджским университетом, отслеживала поток ионов лития в режиме реального времени внутри предполагаемого нового материала батареи.
Ранее считалось, что механизм, с помощью которого ионы лития накапливаются в материалах батареи, одинаков для каждой активной частицы. Однако исследование под руководством Кембриджа обнаружило, что хранение лития далеко не однородно в течение цикла заряда-разряда.
Когда батарея приближается к завершению цикла разрядки, поверхности активных частиц насыщаются литием, а в их ядрах наблюдается дефицит лития.
Это вызывает снижение емкости и потерю многоразового лития.
Исследование, финансируемое Институтом Фарадея, может способствовать усовершенствованию существующих материалов для батарей и ускорению создания батарей следующего поколения. Результаты были недавно опубликованы в журнале Joule .
Электромобили необходимы для перехода к безуглеродной экономике. Из-за большой плотности энергии литий-ионные аккумуляторы питают большинство электромобилей, находящихся в настоящее время на дорогах. Однако по мере увеличения использования электромобилей потребность в большем диапазоне и более быстром времени зарядки требует улучшения существующих материалов для аккумуляторов, а также открытия новых.
Одними из наиболее перспективных из этих материалов являются современные материалы положительного электрода, известные как слоистые оксиды лития с высоким содержанием никеля, которые широко используются в электромобилях премиум-класса. Однако их рабочие механизмы, особенно транспорт ионов лития в практических условиях эксплуатации, и то, как это связано с их электрохимическими характеристиками, до конца не изучены, поэтому мы пока не можем получить от этих материалов максимальную производительность.
Отслеживая под микроскопом, как свет взаимодействует с активными частицами во время работы батареи, исследователи обнаружили явные различия в хранении лития во время цикла зарядки-разрядки в богатом никелем оксиде марганца-кобальта (NMC).
«Впервые такая неравномерность в хранении лития наблюдалась непосредственно в отдельных частицах», — сказала соавтор Элис Мерривезер из Кембриджского химического факультета имени Юсуфа Хамида. «Методы реального времени, такие как наши, необходимы для захвата этого во время работы батареи».
Объединив экспериментальные наблюдения с компьютерным моделированием, исследователи обнаружили, что неравномерность возникает из-за резких изменений скорости диффузии ионов лития в NMC во время цикла зарядки-разрядки. В частности, ионы лития медленно диффундируют в полностью литированные частицы NMC, но диффузия значительно усиливается, когда некоторое количество ионов лития извлекается из этих частиц.
«Наша модель дает представление о диапазоне, в котором диффузия литий-иона в NMC варьируется на ранних стадиях зарядки», — сказал соавтор доктор Шринидхи С.
Пандуранги из инженерного факультета Кембриджа. «Наша модель точно предсказала распределение лития и уловила степень неоднородности, наблюдаемую в экспериментах. Эти прогнозы являются ключом к пониманию других механизмов деградации батареи, таких как разрушение частиц».
Важно отметить, что неоднородность лития, наблюдаемая в конце разряда, указывает на одну из причин, по которой катодные материалы с высоким содержанием никеля обычно теряют около десяти процентов своей емкости после первого цикла заряда-разряда.
«Это важно, учитывая, что один отраслевой стандарт, который используется для определения того, следует ли выводить батарею из эксплуатации, — это когда она потеряла 20 процентов своей емкости», — сказал соавтор доктор Чао Сюй из Шанхайского технологического университета.
В настоящее время исследователи ищут новые подходы к увеличению практической плотности энергии и срока службы этих многообещающих аккумуляторных материалов.
Ссылка: «Operando визуализация кинетически индуцированных неоднородностей лития в однослойных катодах, богатых никелем», Чао Сюй, Элис Дж.
Мерриуэзер, Шринидхи С. Пандуранги, Чжэньян Лун, Дэвид С. Холл, Викрам С. Дешпанде, Норман А. Флек, Кристоф Шнедерманн, Акшай Рао и Клэр П. Грей, 12 октября 2022 г., стр. Джоуль .
doi: 10.1016/j.joule.2022.09.008
батареи, связанные с сотнями отходов,
Опубликовано
Комментарии
Комментарии
.
Чтобы воспроизвести это видео, вам необходимо включить JavaScript в вашем браузере.
Медиа-титр,Кадры с камер видеонаблюдения с завода по переработке отходов показывают, что предположительно взрывающиеся батареи стреляют по комнате
Виктория Джилл и Кейт Стивенс
BBC News Climate and Science
Батарейки, выброшенные в мусорные баки, ежегодно вызывают около 700 пожаров в мусоросборниках и центрах переработки отходов, сообщают местные власти.
Литий-ионные батареи могут взорваться при повреждении или раздавливании.
Ассоциация экологических служб сообщает, что возникающие в результате пожары обходятся пожарным службам и операторам отходов примерно в 158 миллионов фунтов стерлингов в год.
Некоммерческая организация Material Focus, которая провела опрос местных властей, запустила онлайн-инструмент поиска, чтобы помочь людям найти ближайший пункт утилизации.
Используемые в небольших перезаряжаемых устройствах, таких как зубные щетки, игрушки, телефоны и ноутбуки, литий-ионные аккумуляторы в последние годы стали более мощными.
Небольшие, часто используемые и более дешевые устройства — даже некоторые музыкальные поздравительные открытки — часто имеют «скрытые батареи».
Бен Джонсон из Ассоциации экологических служб (ESA) сообщил BBC News, что «все больше и больше людей выбрасывают устройства, содержащие эти батареи, вместе с бытовым мусором» или смешивают их с другими видами вторичной переработки.
«Это создает настоящую проблему, потому что они имеют тенденцию — при повреждении — взрываться или воспламеняться», — сказал он.
«И когда вы выбрасываете их вместе с обычным мусором или перерабатываете, они, скорее всего, раздавятся, уплотнятся, разобьются или намокнут.
«Это может привести к короткому замыканию. И, конечно же, они находятся в присутствии других легковоспламеняющихся материалов, таких как пластик, бумага и картон, что может привести к довольно большим пожарам».
Литий-ионные батареи
Основной тип аккумуляторов в портативной бытовой электронике. Они состоят из двух электродов, разделенных сепаратором, позволяющим заряженным частицам — ионам лития — проходить через растворитель от одного к другому.
Перезарядка батареи отбрасывает ионы туда, где они были изначально.
Если батарея не повреждена и находится в закрытом состоянии, она, как правило, очень безопасна.
Но если электроды вступают в непосредственный контакт друг с другом, это может привести к внезапному разряду всех заряженных частиц в результате взрыва, который, поскольку химические вещества внутри батареи легко воспламеняются, может быстро вызвать пожар.
Источник крупного пожара в центре утилизации в Абердине не был подтвержден, но компания говорит, что он, скорее всего, был связан с выброшенной батареей поскольку люди использовали и утилизировали больше электронных устройств.
«Мы призываем людей перерабатывать электрооборудование и аккумуляторы, а не выбрасывать их с обычными бытовыми отходами», — сказал он.
«Эти пожары могут быть сложной задачей для пожарных служб, они оказывают значительное влияние на местные сообщества и представляют реальную опасность для персонала, работающего на грузовиках и заводах по переработке отходов.
«Каждый может внести свой вклад в предотвращение пожаров, правильно утилизируя электроприборы.»
Лаура Фишер из компании по утилизации отходов FCC Environment сказала: «Лучше всего, чтобы люди приносили любые батареи в местный центр утилизации или в любой крупный супермаркет — у большинства из них, как правило, есть мусорная корзина для батарей. »
Эксперты по пожарной безопасности и участники кампании по обращению с отходами электроэнергии также призывают к более четким правилам безопасной утилизации аккумуляторов, включая способы их переработки.
