Очистка электродов гибридной батареи увеличивает емкость и срок службы: новый способ создания электродов суперконденсатор-батарея устраняет помехи от неактивных компонентов

Эта высокоточная технология, названная ионной мягкой посадкой, позволила создать электроды, которые могли хранить на треть больше энергии и имели вдвое больший срок службы по сравнению с электродами, изготовленными обычным методом, сообщают исследователи сегодня в Nature Communications. Этот простой в установке метод может в конечном итоге привести к более дешевым, более мощным и долговечным аккумуляторным батареям.

«Это первый раз, когда кто-либо смог собрать работающую батарею с использованием мягкой ионной посадки», — сказала химик и научный сотрудник лаборатории Джулия Ласкин из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США.Преимущества проистекают из способности мягкой посадки создавать поверхность электрода очень специфично, используя только самые желательные молекулы из сложной смеси сырых компонентов.«Это поможет нам решить важные научные вопросы об этой технологии хранения энергии, гибриде между обычными литиевыми перезаряжаемыми батареями и суперконденсаторами, которые имеют очень высокую плотность энергии», — сказал ведущий автор, химик PNNL Венкатешкумар Прабхакаран.

Другой вид гибридаХотя литий-ионные аккумуляторные батареи являются технологией, которую используют для небольших электронных устройств, они медленно выделяют свою энергию, поэтому в гибридных электромобилях для ускорения используется бензин и требуется много времени для перезарядки, из-за чего электромобили медленнее «заполняются». чем их двоюродные братья, работающие на газе.Одним из возможных решений является гибридная батарея, в которой способность литиевой батареи удерживать большой заряд для своего размера сочетается с суперконденсатором с быстрой зарядкой.

Химики PNNL хотели знать, могут ли они создать превосходные материалы для гибридных аккумуляторов с помощью технологии, называемой ионной мягкой посадкой, которая тщательно контролирует сырые компоненты во время приготовления.Чтобы выяснить это, Ласкин и его коллеги создали гибридные электроды, распыляя химическое вещество, известное как ПОМ, или полиоксометаллат, на электроды суперконденсатора, сделанные из микроскопических углеродных трубок. Стандартный ПОМ имеет как положительно, так и отрицательно заряженные части, называемые ионами, но в гибридных электродах необходимы только отрицательные ионы.

Ограниченный конструкцией, традиционный метод подготовки распыляет как положительные, так и отрицательные ионы на углеродные нанотрубки. Однако мягкая посадка ионов разделяет заряженные части и только осаждает отрицательные ионы на поверхности электрода. Вопрос, который возник у Ласкина и его команды, заключался в следующем: влияют ли положительные ионы на работу гибридных электродов?Чтобы выяснить это, команда сделала квадратные гибридные батареи сантиметрового размера из электродов из ПОМ-углеродных нанотрубок, которые зажали между собой специально разработанную ионно-жидкостную мембрану.

«Нам пришлось разработать мембрану, которая разделяла электроды, а также служила электролитом батареи, что позволяет проводить ионы», — сказал Прабхакаран. «Большинство людей знают электролиты как жидкость, плещущуюся внутри автомобильного аккумулятора. У нас был твердый гель».

Они проверили эту мини-гибридную батарею на предмет того, сколько энергии она может удерживать и сколько циклов зарядки и разрядки она может выдержать, прежде чем разрядится.Они сравнили мягкую посадку с обычными гибридными батареями, которые были изготовлены с помощью метода, называемого электрораспылением. Они использовали готовый ПОМ, содержащий положительно заряженные ионы натрия.Приветствую POM

Команда обнаружила, что гибридные электроды из ПОМ, изготовленные с мягкой посадкой, обладают превосходной способностью аккумулировать энергию. Они могли удерживать на треть больше энергии, чем суперконденсаторы из углеродных нанотрубок сами по себе, которые были включены в минимальный тест производительности. Гибриды с мягкой посадкой содержали примерно на 27 процентов больше энергии, чем электроды, изготовленные традиционным способом с электрораспылением.

Чтобы убедиться, что команда использовала оптимальное количество ПОМ, они сделали гибридные электроды, используя разные количества, и проверили, какой из них дает наибольшую емкость. Мягкая посадка дала наивысшую производительность при минимальном количестве РОМ. Это указывало на то, что электроды использовали активный материал чрезвычайно эффективно. Для сравнения, обычные электроды из ПОМ на основе натрия требовали вдвое больше материала ПОМ для достижения максимальной емкости.

В устройствах обычного производства использовалось больше POM, но команда пока не могла их сосчитать. На самом деле они могут иметь более длительный срок службы, чем электроды, произведенные методом мягкой посадки. Чтобы проверить это, команда заряжала и разряжала гибриды 1000 раз и измеряла, как долго они прослужили.

Как и в предыдущих тестах, устройства с мягкой посадкой показали лучшие результаты, потеряв лишь несколько процентов емкости после 1000 циклов. На втором месте оказались голые суперконденсаторы, а устройства на основе натрия, изготовленные традиционным способом, потеряли примерно вдвое большую емкость, чем устройства с мягким заземлением.

Это говорит о том, что метод мягкой посадки может удвоить срок службы этих типов гибридных батарей.Хорошо выглядеть

Команда была удивлена, что для создания суперконденсаторов из углеродных нанотрубок потребовалось так мало материала ПОМ. По весу количество ПОМ составляло лишь одну пятую процента от количества материала углеродных нанотрубок.«Примечателен тот факт, что емкость достигает максимума при таком малом количестве POM, а затем падает при увеличении его количества», — сказал Ласкин. «Мы не ожидали, что такое небольшое количество ПОМ будет давать такой большой вклад в емкость».Они решили исследовать структуру электродов с помощью мощных микроскопов в EMSL, Лаборатории молекулярных наук об окружающей среде, лаборатории Министерства энергетики США по научным исследованиям в PNNL.

Они сравнили мягкую посадку с традиционными электродами из ПОМ натрия.Мягкая посадка создавала небольшие дискретные кластеры ПОМ, усеивающие углеродные нанотрубки, но традиционный метод привел к более крупным скоплениям кластеров ПОМ, затопляющим нанотрубки, агрегаты в десять раз превышающие размер тех, что образовались при мягкой посадке.

Этот результат показал исследователям, что удаление положительных ионов из исходного материала ПОМ позволяет отрицательным ионам равномерно диспергироваться по поверхности. Пока оставались положительные ионы, такие как натрий, ПОМ и натрий, по-видимому, преобразовывают кристаллический материал и собираются на поверхности. Это препятствовало тому, чтобы большая часть POM выполняла свою работу в батарее, тем самым уменьшая емкость.Когда команда немного увеличила масштаб и посмотрела на нанотрубки сверху, электроды, изготовленные традиционным способом, были покрыты большими скоплениями ПОМ.

Однако мягкие электроды были совершенно неотличимы от суперконденсаторов из голых углеродных нанотрубок.В будущих исследованиях команда хочет изучить, как заставить углеродные материалы принимать больше POM, что может еще больше увеличить емкость и срок службы.

Эта работа была поддержана Управлением науки Министерства энергетики и Объединенным центром исследований в области накопления энергии, Центром инноваций Министерства энергетики.


Портал обо всем