Zullen vloeibare kristallen als elektrolyten in lithium-ionbatterijen het mogelijk maken om stabiele lithium-metaalcellen te maken?

Een interessante studie van Carnegie Mellon University. Wetenschappers hebben voorgesteld om vloeibare kristallen in lithium-ioncellen te gebruiken om hun energiedichtheid, stabiliteit en oplaadcapaciteit te vergroten. Het werk is nog niet gevorderd, dus we zullen minstens vijf jaar wachten op hun voltooiing - als dat enigszins mogelijk is.

Vloeibare kristallen zorgden voor een revolutie in beeldschermen, nu kunnen ze batterijen helpen

inhoudsopgave

• Vloeibare kristallen zorgden voor een revolutie in beeldschermen, nu kunnen ze batterijen helpen
  • Vloeibare kristallen als truc om vloeibaar-vast elektrolyt te verkrijgen

Kortom: Fabrikanten van lithium-ioncellen proberen nu de energiedichtheid van de cellen te vergroten en tegelijkertijd hun prestaties te behouden of te verbeteren, inclusief bijvoorbeeld het vergroten van de stabiliteit bij hogere laadvermogens. Het idee is dat batterijen lichter, veiliger en sneller kunnen worden opgeladen. Een beetje zoals de snel-goedkoop-goed-driehoek.

Een van de manieren om de specifieke energie van cellen aanzienlijk te verhogen (1,5-3 keer) is het gebruik van lithiummetaalanodes (Li-metaal).. Niet uit koolstof of silicium, zoals voorheen, maar uit lithium, het element dat rechtstreeks verantwoordelijk is voor de capaciteit van de cel. Het probleem is dat deze opstelling snel lithiumdendrieten ontwikkelt, metalen uitsteeksels die uiteindelijk de twee elektroden met elkaar verbinden en deze beschadigen.

Vloeibare kristallen als truc om vloeibaar-vast elektrolyt te verkrijgen

Er wordt momenteel gewerkt aan het verpakken van anoden in verschillende materialen om een ​​buitenste schil te vormen die de stroom van lithiumionen mogelijk maakt, maar geen vaste structuren laat groeien. Een mogelijke oplossing voor het probleem is ook het gebruik van een vaste elektrolyt - een wand waar de dendrieten niet doorheen kunnen dringen.

Wetenschappers van de Carnegie Mellon Universiteit kozen voor een andere aanpak: ze willen blijven bij bewezen vloeibare elektrolyten, maar dan op basis van vloeibare kristallen. Vloeibare kristallen zijn structuren die het midden houden tussen vloeistof en kristallen, dat wil zeggen vaste stoffen met een geordende structuur. Vloeibare kristallen zijn vloeibaar, maar hun moleculen zijn sterk geordend (bron).

Op moleculair niveau is de structuur van vloeibaar-kristalelektrolyt eenvoudigweg een kristallijne structuur en blokkeert dus de groei van dendrieten. We hebben echter nog steeds te maken met een vloeistof, dat wil zeggen een fase die ervoor zorgt dat ionen tussen de elektroden kunnen stromen. Dendrietgroei is geblokkeerd, belastingen moeten stromen.

Het onderzoek vermeldt dit niet, maar vloeibare kristallen hebben nog een ander belangrijk kenmerk: nadat er spanning op is gezet, kunnen ze in een specifieke volgorde worden gerangschikt (zoals je bijvoorbeeld kunt zien door naar deze woorden en de grens tussen de zwarte letters en de lichte achtergrond). Het kan dus zijn dat wanneer de cel begint op te laden, de vloeibare kristalmoleculen onder een andere hoek worden gepositioneerd en dendritische afzettingen van de elektroden "schrapen".

Visueel lijkt dit op het sluiten van de flappen, bijvoorbeeld in een ventilatiegat.

Het nadeel van de situatie is dat Carnegie Mellon University is net begonnen met onderzoek naar nieuwe elektrolyten.. Het is al bekend dat hun stabiliteit lager is dan die van conventionele vloeibare elektrolyten. Celafbraak vindt sneller plaats, en dit is niet de richting die ons interesseert. Het is echter mogelijk dat het probleem na verloop van tijd wordt opgelost. Bovendien verwachten we niet dat er vóór de tweede helft van dit decennium vastestofverbindingen zullen verschijnen:

> LG Chem gebruikt sulfiden in vaste-stofelementen. Commercialisering van vaste elektrolyt niet eerder dan 2028

Inleidende foto: Lithium-dendrieten worden gevormd op de elektrode van een microscopisch kleine lithium-ioncel. De grote donkere figuur bovenaan is de tweede elektrode. De aanvankelijke "bubbel" van lithiumatomen schiet op een gegeven moment omhoog, waardoor een "whisker" ontstaat die de basis vormt van de opkomende dendriet (c) PNNL Unplugged / YouTube:

Dit kan je interesseren: