ส่วนผสมในยาสีฟันเพิ่มระยะวิ่ง EV ได้
อิเล็กโทรไลต์ที่มีฟลูออไรด์ใหม่ปูทางไปสู่แบตเตอรี่ประสิทธิภาพสูงและมีอายุการใช้งานยาวนาน
ยาสีฟันหลายชนิดมีโซเดียมฟลูออไรด์ ซึ่งเป็นสารประกอบของฟลูออรีน เพื่อปกป้องฟันไม่ให้ผุ อย่างไรก็ตาม สารประกอบที่มีฟลูออรีนมีการใช้งานที่ไม่คาดคิดเพิ่มเติม นักวิจัยจากห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Argonne ของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ พิสูจน์ว่าอิเล็กโทรไลต์ฟลูออไรด์ที่สามารถปกป้องแบตเตอรี่ในอนาคตจากประสิทธิภาพที่ลดลงได้
“แบตเตอรี่รุ่นใหม่ที่น่าตื่นเต้นสำหรับยานยนต์ไฟฟ้าที่นอกเหนือจากลิเทียมไอออนนั้นกำลังจะเกิดขึ้นเร็วๆ นี้” Zhengcheng (John) Zhang ผู้นำกลุ่มในแผนกวิทยาศาสตร์เคมีและวิศวกรรมของ Argonne กล่าว
เคมีของแบตเตอรี่ที่ไม่ใช่ลิเทียมไอออนทำให้มันสามารถเก็บพลังงานไว้ได้มากกว่าแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนสองเท่าหรือมากกว่านั้นในปริมาตรหรือน้ำหนักที่กำหนด พลังงานนี้สามารถขับเคลื่อนรถยนต์ในระยะทางที่ไกลกว่ามากและแม้แต่สามารถขับเคลื่อนรถบรรทุกและเครื่องบินระยะไกลได้เป็นเวลาวันหนึ่ง ความคาดหวังก็คือการใช้แบตเตอรี่ดังกล่าวอย่างแพร่หลายจะช่วยแก้ปัญหาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศได้ ปัญหาหลักคือความหนาแน่นของพลังงานที่สูงของมันจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อมีการอัดประจุและคายประจุซ้ำๆ
แบตเตอรี่ที่เป็นคู่แข่งหลักนี้มีขั้วแอโนด (อิเล็กโทรดขั้วลบ) ที่ทำจากโลหะลิเทียมแทนที่กราไฟท์ที่ปกติใช้ในแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน จึงเรียกว่าแบตเตอรี่ "โลหะลิเทียม" ส่วนแคโทด (อิเล็กโทรดขั้วบวก) คือโลหะออกไซด์ที่ประกอบด้วยนิกเกิล แมงกานีส และโคบอลต์ (NMC) แม้ว่ามันจะสามารถส่งพลังงานที่มีความหนาแน่นของพลังงานมากกว่าสองเท่าที่เป็นไปได้ของแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน แต่ประสิทธิภาพที่โดดเด่นนี้จะหายไปอย่างรวดเร็วภายในรอบการอัด-คายประจุที่น้อยกว่าร้อยรอบ
วิธีแก้ปัญหาของทีมเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งเป็นของเหลวที่ลิเทียมไอออนเคลื่อนที่ผ่านระหว่างแคโทดและแอโนดเพื่อทำให้เกิดการอัดประจุและคายประจุ
ในแบตเตอรี่โลหะลิเทียม อิเล็กโทรไลต์เป็นของเหลวที่ประกอบด้วยเกลือที่มีลิเทียมที่ละลายในตัวทำละลาย ต้นตอของปัญหาวงจรชีวิตที่สั้นคืออิเล็กโทรไลต์ไม่สร้างชั้นป้องกันที่เพียงพอบนพื้นผิวแอโนดในช่วงสองสามรอบวงจรแรก ชั้นนี้เรียกอีกอย่างว่าโซลิด-อิเล็กโตรไลต์-อินเตอร์เฟส (SEI) ทำหน้าที่เหมือนผู้พิทักษ์ ช่วยให้ลิเทียมไอออนสามารถผ่านเข้าและออกจากขั้วแอโนดเพื่ออัดและคายประจุแบตเตอรี่ได้อย่างอิสระ
ทีมงานได้ค้นพบตัวทำละลายฟลูออไรด์ชนิดใหม่ที่ช่วยรักษาชั้นป้องกันที่แข็งแกร่งไว้ได้หลายร้อยรอบ โดยจับคู่ส่วนประกอบที่มีฟลูออรีนซึ่งมีประจุบวก (แคตไอออน) กับส่วนประกอบที่มีฟลูออรีนต่างชนิดกันซึ่งมีประจุลบ (แอนไอออน) การรวมกันนี้เป็นสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์เรียกว่าของเหลวไอออนิก ซึ่งเป็นของเหลวที่ประกอบด้วยไอออนบวกและไอออนลบ
“ความแตกต่างที่สำคัญในอิเล็กโทรไลต์ใหม่ของเราคือการแทนที่ฟลูออรีนสำหรับอะตอมไฮโดรเจนในโครงสร้างคล้ายวงแหวนของส่วนไอออนบวกของของเหลวไอออนิก” Zhang กล่าว “สิ่งนี้สร้างความแตกต่างในการรักษาประสิทธิภาพที่สูงเป็นเวลาหลายร้อยรอบในเซลล์โลหะลิเทียมทดสอบ”
เพื่อให้เข้าใจถึงกลไกเบื้องหลังความแตกต่างนี้ในระดับอะตอมได้ดีขึ้น ทีมงานได้ใช้คอมพิวเตอร์ที่มีสมรรถนะสูงของ Argonne Leadership Computing Facility (ALCF)
ดังที่ Zhang อธิบาย การจำลองบนซูเปอร์คอมพิวเตอร์ Theta ของ ALCF เผยให้เห็นว่าไอออนบวกของฟลูออรีนเกาะติดและสะสมบนพื้นผิวแอโนดและแคโทดก่อนที่จะมีการหมุนเวียนการอัดและคายประจุไฟฟ้า จากนั้น ในช่วงแรกของวงจรการอัดประจุ ชั้น SEI ที่ยืดหยุ่นจะก่อตัวขึ้นซึ่งเหนือกว่าสิ่งที่เป็นไปได้ด้วยอิเล็กโทรไลต์รุ่นก่อนหน้า
กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนความละเอียดสูงที่ Argonne and Pacific Northwest National Laboratory เปิดเผยว่าชั้น SEI ที่มีการป้องกันสูงบนขั้วแอโนดและแคโทดทำให้เกิดวงจรอัด-คายประจุที่มั่นคง
ทีมงานสามารถปรับสัดส่วนของตัวทำละลายฟลูออไรด์ต่อเกลือลิเทียมเพื่อสร้างชั้นที่มีคุณสมบัติที่เหมาะสมที่สุด ที่รวมถึงความหนาของ SEI ที่ไม่หนาหรือบางเกินไป ด้วยชั้นนี้ ลิเทียมไอออนจึงสามารถไหลเข้าและออกจากอิเล็กโทรดได้อย่างมีประสิทธิภาพระหว่างการชาร์จและการคายประจุเป็นเวลาหลายร้อยรอบ
อิเล็กโทรไลต์ใหม่ของทีมมีข้อดีอื่นๆ มากมายเช่นกัน มีต้นทุนต่ำเพราะสามารถทำได้ด้วยความบริสุทธิ์สูงมากและให้ผลผลิตในขั้นตอนง่ายๆ ขั้นตอนเดียวแทนที่จะต้องทำหลายขั้นตอน มันเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมเพราะใช้ตัวทำละลายน้อยกว่ามากซึ่งมีการระเหยและสามารถปล่อยสารปนเปื้อนออกสู่สิ่งแวดล้อมได้ และมันปลอดภัยกว่าเพราะไม่ติดไฟ
“แบตเตอรี่ลิเทียมโลหะที่มีอิเล็กโทรไลต์ไอออนบวกที่มีฟลูออรีนของเราสามารถกระตุ้นอุตสาหกรรมยานยนต์ไฟฟ้าได้อย่างมาก” Zhang กล่าว “และประโยชน์ของอิเล็กโทรไลต์นี้ยังขยายไปสู่ระบบแบตเตอรี่ขั้นสูงประเภทอื่นๆ นอกเหนือจากลิเทียมไอออนอย่างไม่ต้องสงสัย”
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
