Uanset ydeevne, omkostninger eller sikkerhedsovervejelser er genopladelige solid-state batterier det bedste valg til at erstatte fossil energi og i sidste ende realisere vejen til nye energikøretøjer.
Som opfinderen af katodematerialer såsom LiCoO2, LiMn2O4 og LiFePO4 er Goodenough velkendt inden forlithium-ion batterierog er virkelig "lithium-ion-batteriernes fader".
I en nylig artikel i NatureElectronics gennemgår John B. Goodenough, som er 96 år, historien om opfindelsen af det genopladelige lithium-ion-batteri og viser vejen frem.
I 1970'erne udbrød en oliekrise i USA. Da regeringen indså sin overafhængighed af olieimport, begyndte regeringen en stor indsats for at udvikle sol- og vindenergi. På grund af den intermitterende karakter af sol- og vindenergi,genopladelige batteriervar til sidst nødvendige for at opbevare disse vedvarende og rene energikilder.
Nøglen til reversibel opladning og afladning er reversibiliteten af den kemiske reaktion!
På det tidspunkt brugte de fleste ikke-genopladelige batterier lithium negative elektroder og organiske elektrolytter. For at opnå genopladelige batterier begyndte alle at arbejde på reversibel indlejring af lithiumioner i lagdelte overgangsmetalsulfidkatoder. Stanley Whittingham fra ExxonMobil opdagede, at reversibel opladning og afladning kunne opnås ved interkaleringskemi ved hjælp af lagdelt TiS2 som katodemateriale, hvor udladningsproduktet er LiTiS2.
Denne celle, udviklet af Whittingham i 1976, opnåede god initial effektivitet. Men efter flere gentagelser af opladning og afladning dannedes lithiumdendritter inde i cellen, som voksede fra den negative til den positive elektrode, hvilket skabte en kortslutning, der kunne antænde elektrolytten. Dette forsøg endte igen med fiasko!
I mellemtiden undersøgte Goodenough, der flyttede til Oxford, hvor meget lithium der højst kunne de-indlejres fra de lagdelte LiCoO2- og LiNiO2-katodematerialer, før strukturen ændrede sig. I sidste ende opnåede de reversibel de-indlejring af mere end halvdelen af lithium fra katodematerialet.
Denne forskning guidede til sidst Akira Yoshino fra AsahiKasei til at forberede den førstegenopladeligt lithium-ion batteri: LiCoO2 som den positive elektrode og grafitisk kulstof som den negative elektrode. Dette batteri blev med succes brugt i Sonys tidligste mobiltelefoner.
For at reducere omkostningerne og forbedre sikkerheden. Det helt solide genopladelige batteri med solid som elektrolyt ser ud til at være en vigtig retning for den fremtidige udvikling.
Så tidligt som i 1960'erne arbejdede europæiske kemikere på reversibel indlejring af lithiumioner i lagdelte overgangsmetalsulfidmaterialer. På det tidspunkt var standardelektrolytterne til genopladelige batterier hovedsageligt stærke sure og alkaliske vandige elektrolytter som H2SO4 eller KOH. For i disse vandige elektrolytter har H+ god diffusivitet.
På det tidspunkt blev de mest stabile genopladelige batterier lavet med lagdelt NiOOH som katodemateriale og en stærk alkalisk vandig elektrolyt som elektrolyt. h+ kunne være reversibelt indlejret i den lagdelte NiOOH-katode for at danne Ni(OH)2. problemet var, at den vandige elektrolyt begrænsede batteriets spænding, hvilket resulterede i en lav energitæthed.
I 1967 opdagede Joseph Kummer og NeillWeber fra Ford Motor Company, at Na+ har gode diffusionsegenskaber i keramiske elektrolytter over 300°C. De opfandt derefter et genopladeligt Na-S-batteri: smeltet natrium som den negative elektrode og smeltet svovlholdige kulstofbånd som den positive elektrode. Som et resultat opfandt de et genopladeligt Na-S-batteri: smeltet natrium som den negative elektrode, smeltet svovl indeholdende et kulstofbånd som den positive elektrode og en fast keramik som elektrolytten. Driftstemperaturen på 300°C dømte imidlertid dette batteri til at være umuligt at kommercialisere.
I 1986 realiserede Goodenough et genopladeligt lithiumbatteri i fast tilstand uden dendritgenerering ved hjælp af NASICON. I øjeblikket er genopladelige solid-state lithium- og natriumbatterier baseret på solid-state elektrolytter såsom NASICON blevet kommercialiseret.
I 2015 demonstrerede MariaHelena Braga fra University of Porto også en isolerende porøs oxid fast elektrolyt med lithium- og natriumionledningsevne, der kan sammenlignes med de organiske elektrolytter, der i øjeblikket anvendes i lithium-ion-batterier.
Kort sagt, uanset ydelse, omkostninger eller sikkerhedsovervejelser, er genopladelige solid-state batterier det bedste valg til at erstatte fossil energi og i sidste ende realisere vejen til nye energikøretøjer!
Indlægstid: 25. august 2022