Oavsett prestanda, kostnad eller säkerhetsöverväganden är helsolid-state uppladdningsbara batterier det bästa valet för att ersätta fossil energi och så småningom förverkliga vägen till nya energifordon.
Som uppfinnare av katodmaterial som LiCoO2, LiMn2O4 och LiFePO4 är Goodenough välkänd inom områdetlitiumjonbatterieroch är verkligen "litiumjonbatteriernas fader".
I en färsk artikel i NatureElectronics går John B. Goodenough, som är 96 år, igenom historien bakom uppfinningen av det laddningsbara litiumjonbatteriet och visar vägen framåt.
På 1970-talet utbröt en oljekris i USA. Regeringen insåg sitt överberoende av oljeimport och påbörjade en stor ansträngning för att utveckla sol- och vindenergi. På grund av sol- och vindenergins intermittenta natur,uppladdningsbara batterierbehövdes så småningom för att lagra dessa förnybara och rena energikällor.
Nyckeln till reversibel laddning och urladdning är reversibiliteten av den kemiska reaktionen!
På den tiden använde de flesta av de icke-uppladdningsbara batterierna litiumnegativa elektroder och organiska elektrolyter. För att uppnå laddningsbara batterier började alla arbeta med reversibel inbäddning av litiumjoner i skiktade övergångsmetallsulfidkatoder. Stanley Whittingham från ExxonMobil upptäckte att reversibel laddning och urladdning kunde uppnås genom interkaleringskemi med skiktad TiS2 som katodmaterial, med urladdningsprodukten LiTiS2.
Denna cell, utvecklad av Whittingham 1976, uppnådde god initial effektivitet. Men efter flera upprepningar av laddning och urladdning bildades litiumdendriter inuti cellen, som växte från den negativa till den positiva elektroden, vilket skapade en kortslutning som kunde antända elektrolyten. Detta försök, återigen, slutade i misslyckande!
Under tiden undersökte Goodenough, som flyttade till Oxford, hur mycket litium som högst kunde frigöras från de skiktade LiCoO2- och LiNiO2-katodmaterialen innan strukturen ändrades. Till slut uppnådde de reversibel de-inbäddning av mer än hälften av litiumet från katodmaterialet.
Denna forskning ledde så småningom Akira Yoshino från AsahiKasei att förbereda den förstauppladdningsbart litiumjonbatteri: LiCoO2 som den positiva elektroden och grafitkol som den negativa elektroden. Detta batteri användes framgångsrikt i Sonys tidigaste mobiltelefoner.
För att minska kostnaderna och förbättra säkerheten. Det helt fasta uppladdningsbara batteriet med fast som elektrolyt verkar vara en viktig riktning för framtida utveckling.
Redan på 1960-talet arbetade europeiska kemister med reversibel inbäddning av litiumjoner i skiktade övergångsmetallsulfidmaterial. På den tiden var standardelektrolyterna för uppladdningsbara batterier främst starka sura och alkaliska vattenhaltiga elektrolyter som H2SO4 eller KOH. Eftersom H+ i dessa vattenhaltiga elektrolyter har god diffusivitet.
På den tiden tillverkades de mest stabila uppladdningsbara batterierna med skiktad NiOOH som katodmaterial och en stark alkalisk vattenhaltig elektrolyt som elektrolyt. h+ skulle kunna vara reversibelt inbäddad i den skiktade NiOOH-katoden för att bilda Ni(OH)2. problemet var att den vattenhaltiga elektrolyten begränsade batteriets spänning, vilket resulterade i en låg energitäthet.
1967 upptäckte Joseph Kummer och NeillWeber från Ford Motor Company att Na+ har goda diffusionsegenskaper i keramiska elektrolyter över 300°C. De uppfann sedan ett uppladdningsbart Na-S-batteri: smält natrium som den negativa elektroden och smält svavelinnehållande kolband som den positiva elektroden. Som ett resultat uppfann de ett uppladdningsbart Na-S-batteri: smält natrium som den negativa elektroden, smält svavel som innehåller ett kolband som den positiva elektroden och en fast keramik som elektrolyten. Driftstemperaturen på 300°C dömde dock detta batteri till att vara omöjligt att kommersialisera.
1986 realiserade Goodenough ett uppladdningsbart litiumbatteri helt i fast tillstånd utan dendritgenerering med hjälp av NASICON. För närvarande har helsolid-state uppladdningsbara litium- och natriumbatterier baserade på solid-state elektrolyter som NASICON kommersialiserats.
Under 2015 visade MariaHelena Braga vid universitetet i Porto också en isolerande porös oxid fast elektrolyt med litium- och natriumjonledningsförmåga jämförbar med de organiska elektrolyter som för närvarande används i litiumjonbatterier.
Kort sagt, oavsett prestanda, kostnad eller säkerhetsöverväganden, är heltäckande uppladdningsbara batterier det bästa valet för att ersätta fossil energi och så småningom förverkliga vägen till nya energifordon!
Posttid: 2022-aug-25