Batteriets genombrott ger skjuts åt elektriska flyg- och långväga elbilar

Ursprungligen publicerad av Berkeley Lab

Ny batteriteknik som utvecklats vid Berkeley Lab kan ge flyg till elektriska vertikala start- och landningsflygplan (eVTOL) och överladda säkra elbilar med lång räckvidd

I jakten på ett uppladdningsbart batteri som kan driva elfordon (EV) hundratals mil på en enda laddning, har forskare försökt ersätta de grafitanoder som för närvarande används i elbilsbatterier med litiummetallanoder.

Men medan litiummetall förlänger en elbils körräckvidd med 30–50 %, förkortar den också batteriets livslängd på grund av litiumdendriter, små trädliknande defekter som bildas på litiumanoden under många laddnings- och urladdningscykler. Vad värre är, dendriter kortsluter cellerna i batteriet om de kommer i kontakt med katoden.

I decennier antog forskare att hårda, fasta elektrolyter, som de som är gjorda av keramik, skulle fungera bäst för att förhindra dendriter från att arbeta sig igenom cellen. Men problemet med det tillvägagångssättet, fann många, är att det inte hindrade dendriter från att bildas eller "kärna" i första hand, som små sprickor i en bilvindruta som så småningom spred sig.

Nu har forskare vid Department of Energys Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), i samarbete med Carnegie Mellon University, i tidskriften Nature Materials rapporterat en ny klass av mjuka, fasta elektrolyter – gjorda av både polymerer och keramik – som dämpar dendriter i det tidiga kärnbildningsstadiet, innan de kan fortplanta sig och få batteriet att gå sönder.

Tekniken är ett exempel på Berkeley Labs multidisciplinära samarbeten mellan dess användaranläggningar för att utveckla nya idéer för att montera, karakterisera och utveckla material och enheter för solid state-batterier.

Solid-state energilagringsteknologier som solid-state litiummetallbatterier, som använder en solid elektrod och en solid elektrolyt, kan ge hög energitäthet i kombination med utmärkt säkerhet, men tekniken måste övervinna olika material- och processutmaningar.

Vår dendrit-undertryckande teknologi har spännande konsekvenser för batteriindustrin, säger medförfattaren Brett Helms, en forskare vid Berkeley Labs Molecular Foundry. "Med det kan batteritillverkare producera säkrare litiummetallbatterier med både hög energitäthet och lång livslängd."

Helms tillade att litiummetallbatterier tillverkade med den nya elektrolyten också kunde användas för att driva elektriska flygplan.

En mjuk metod för att dämpa dendrit

Nyckeln till utformningen av dessa nya mjuka, fasta elektrolyter var användningen av mjuka polymerer med inneboende mikroporositet, eller PIM, vars porer var fyllda med nanostora keramiska partiklar. Eftersom elektrolyten förblir ett flexibelt, mjukt, fast material, kommer batteritillverkare att kunna tillverka rullar av litiumfolier med elektrolyten som ett laminat mellan anoden och batteriseparatorn. Dessa litium-elektrod-underenheter, eller LESA, är attraktiva drop-in-ersättningar för den konventionella grafitanoden, vilket gör att batteritillverkare kan använda sina befintliga monteringslinjer, sa Helms.

Helms-teamet använde röntgenstrålar vid Berkeley Labs avancerade ljuskälla för att skapa 3D-bilder av gränssnittet mellan litiummetall och elektrolyten. (Kredit:Brett Helms/Berkeley Lab)

För att demonstrera de dendritdämpande egenskaperna hos den nya PIM-kompositelektrolyten använde Helms-teamet röntgenstrålar vid Berkeley Labs Advanced Light Source för att skapa 3D-bilder av gränssnittet mellan litiummetall och elektrolyten, och för att visualisera litiumplätering och strippning för uppåt. till 16 timmar vid stark ström. Kontinuerligt jämn tillväxt av litium observerades när den nya PIM-kompositelektrolyten var närvarande, medan gränssnittet i sin frånvaro visade tydliga tecken på de tidiga stadierna av dendritisk tillväxt.

Dessa och andra data bekräftade förutsägelser från en ny fysikalisk modell för elektroavsättning av litiummetall, som tar hänsyn till både kemiska och mekaniska egenskaper hos de fasta elektrolyterna.

År 2017, när den konventionella visdomen var att du behöver en hård elektrolyt, föreslog vi att en ny dendritdämpningsmekanism är möjlig med en mjuk fast elektrolyt, säger medförfattaren Venkat Viswanathan, docent i maskinteknik och fakultetsstipendiat vid Scott Institutet för energiinnovation vid Carnegie Mellon University som ledde de teoretiska studierna för arbetet. "Det är fantastiskt att hitta en materiell realisering av detta tillvägagångssätt med PIM-kompositer."

En pristagare under Advanced Research Projects Agency-Energys (ARPA-E) IONICS-program, 24M Technologies, har integrerat dessa material i batterier i större format för både elbilar och elektriska vertikala start- och landningsflygplan, eller eVTOL.

Även om det finns unika effektkrav för elbilar och eVTOL, verkar PIM-komposittekniken för solid elektrolyt vara mångsidig och möjliggörande vid hög effekt, säger Helms.

Forskare från Berkeley Lab och Carnegie Mellon University deltog i studien.

Molecular Foundry och Advanced Light Source är DOE Office of Sciences användaranläggningar samlokaliserade vid Berkeley Lab.

Detta arbete stöddes av Advanced Research Projects Agency–Energy (ARPA-E) och DOE Office of Science. Ytterligare finansiering tillhandahölls av DOE Office of Workforce Development for Teachers and Scientists, vilket gjorde det möjligt för studenter på grundnivå att delta i forskningen genom programmet Science Undergraduate Laboratory Internships.

Nya Zeeland testar Wisk eVTOL Flying Taxi

Lawrence Berkeley National Laboratory och dess forskare, som grundades 1931 i tron ​​att de största vetenskapliga utmaningarna bäst hanteras av team, har belönats med 13 Nobelpriser. Idag utvecklar Berkeley Labs forskare hållbara energi- och miljölösningar, skapar användbara nya material, flyttar fram gränserna för datoranvändning och undersöker livets, materiens och universums mysterier. Forskare från hela världen litar på laboratoriets faciliteter för sin egen upptäcktsvetenskap. Berkeley Lab är ett nationellt laboratorium med flera program, som förvaltas av University of California för U.S. Department of Energy's Office of Science.

DOE:s Office of Science är den enskilt största anhängaren av grundforskning inom fysikaliska vetenskaper i USA, och arbetar för att ta itu med några av vår tids mest angelägna utmaningar. För mer information, besök energy.gov/science.