הסיפור של סוללות ליתיום המודרני הוא דוגמה רבת עוצמה של איך מחקר מדעי בסיסי, שנערך מעל פני שתי מאות שנים, מאפשר ישירות טכנולוגיות טרנספורמטיביות.אלקטרוניקה ניידת המגדירה את החיים המודרניים ואת כלי הרכב החשמליים (EVs) לעצב מחדש תחבורה להסתמך על קבוצה של תגליות בכימיה ובפיזיקה שפתורות בעיות ספציפיות, קשות.פרס נובל לכימיה זיהה את ג'ון B.

גילויי יסוד ב Lithium ואלקטרוכימיה

ההבטחה וההבטחה הייחודית של ליתיום

ליתיום התגלה כגורם בשנת 1817 על ידי יוהאן אוגוסט ארפטון, אם כי זה היה סר Humphry Davy ו ויליאם תומאס ברנדי, אשר הראשון מבודד את המתכת הטהורה בשנת 1821 באמצעות אלקטרוליטיזה של תחמוצת ליתיום.המאפיינים המגדירים שלה - צפיפות נמוכה מאוד (0.5 גרם / 34) ואת הפוטנציאל האלקטרוכימי הגבוה ביותר של כל מתכת (- 43.0 לעומת תקן מימן) הוא במהירות חומר טבעי עבור סוללות מתכת, אשר התגלה במהירות גבוהה.

מסגרת אלקטרו-כימית

הבסיס התיאורטי לכל הסוללות נקבע במאה ה-19.חוקי אלקטרוליזה של מיכאל פאראדיי (1834) לכינו את היחסים בין תגובות כימיות לבין זרם חשמלי.התיאוריה של סוואן ארניוס של דיסוציאציה איטונית (1884) הסבירו כיצד אלקטרוליטים פועלים נוכחית.עקרונות אלה הוקמו כדי ליצור סוללה מעשית, אחד צריך שתי אלקטרודות שונות מופרדות על ידי מנצח אלקטרוטוני (בדרך כלל), שבו ניתן היה צורך לפרק את האלקטרומגנטיות חדשות לחלוטין.

אנרגיה לאחר מלחמה זקוקה ומשבר הנפט

משבר האנרגיה של 1970 יצר תמריץ חזק לטכנולוגיות אחסון אנרגיה שיכול להפחית את התלות בדלקים מאובנים. חוקרים ב- Exxon, Bell Labs, ומעבדות תעשייתיות גדולות אחרות החלו לחפש באופן שיטתי כימאים חדשים של סוללות.זה היה בהקשר זה כי סטנלי ויטינגסם החל את העבודה החלוצה שלו על תרכובות של ריצוף - חומרים שבהם ניתן להכניס אורחים ללא המבנה המארח של זה, כדי להוכיח את הפחתת סוללות חיוניות, כדי להוכיח את הסוללות.

פריצת דרך אלקטרודות אינטרקלציה

טיטניום של ויטינגסהם - טיטניום דהפלויד

בתחילת שנות ה-70, ויטינגסאם, העובד במחקר והנדסה, הדגים את הסוללה הליתיום הראשון בהתרגשות טיטניום (TiS2) קטוייד וריד מתכת ליתיום מתכת . TiS2 יש מבנה שכבתי (כמו mica או גרט) שבו פרויקטים ליתיום יכול במהירות ובאופן יחסי בין-ידי מערכת מתכתית (Licial) היה למנוע את ההתפרצות הראשונית של 2 ק"מחץ, עם 2 ק"מ, אך ורק 2 ק"מ, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם יעילות מתכתית') היה יכול היה יכול היה למנוע את הפחתת לחץ דם מוקדם יותר, עם 2 ק"מחץ 2 ק"מ קצר יותר, עם 2 ק"מ, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם יעילותוריד, עם יעילותוריד, עם זאת, עם 2 ק"מחץ כפול, עם לחץ דם מוקדם יותר, עם זאת, עם לחץ דם מוקדם יותר, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם לחץ דם מוקדם יותר, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם לחץ דם מוקדם יותר, עם זאת, עם לחץ

High-Voltage Layered Oxide Cathode

ג'ון B. גודנוו, אז באוניברסיטת אוקספורד, הגדלה נכונה כי באמצעות תחמוצת מתכת במקום sulfide יניבה מתח גבוה הרבה יותר כי מסלולי החמצן 2p יוצרים זוג אדום באנרגיה גבוהה יותר ב-1980, הקבוצה שלו זיהתה את ה-Lthium cobalt oxide (CoO2) כחומר קפל 2p) כמו מבנה דומה ל-LS2 / LED2 פועל כיום.

יוצ'רנו פחמן אנגודה ואת הסוללה Rocking-Chair

בעיית הבטיחות נשארה: שרידים מתכת ליתיום היו בלתי יציבים לחלוטין.אקירה יושיאנו, העובדת ב-Asahi Kasei ביפן, פתרה את הבעיה הקריטית הזו ב-1985, במקום מתכת ליתיום, הוא השתמש בחומר פחמן-פולני - petroleum coke - כמו התמוטטות של שמן Vke יש מבנה מחוספס, אך עדיין מסוגל לשלב את האתיום במתח קרוב למתכת (כלומר, 2 ליטר) בין אם לא ניתן היה קיים (L2) ללא קירור מסחרי).

הנדסה אלקטרוליט ו- Anode Interface

התפקיד הקריטי של אלקטרוליט אינטרפאוזה (SEI)

הצלחתו של אגד הפחמן של יושינו תלויה במידה רבה במבנה האלקטרוליט.הניסויים המוקדמים עם סוללות propylene Carbonate (PC) נכשלה בגלל שהמולקולות המנודות יחד עם המבנה הגרף של הפחמן, מעצימות אותו והורסות את ה-Automation של סוללת ה-Lamite משנת 1990 ו-LJacknlintathicial של גרף של סוללת DIteapericial של , בעוד ש-iteaph SEteaphitemention הוא גרף של גרף של גרף ארוך-iteaphic SEL SETRASEOL SEL SEL SEL SETRASEOL SED (EC) הוא סוללת אבטחה מתמשכת, בעודורידיום ארוך יותר יציב, בעודורידציה היא מערכת אלקטרו-iteaphicial של סוללת אבטחה של גרף של סוללת אבטחה (DIteaphicial של סוללת D.

אלקטרוליט סולנט ו- Salt Development

האלקטרוליט ב-LIB מסחרי הוא תערובת מטובה של פחמן ליניארי ומחזורי (למשל, EC, DMC, EMC, DEC) ומלח ליתיום, בדרך כלל LiPF6. LiPF6 נבחר כי הוא מתמוסס היטב בפחמן (SteClimate) ו-(Stecrelimate טמפרטורה) ל-HDLicial (S) ל-iFicial) כולל יציבות חשמלית (S) (S) ל-iF) גבוהה (S) (S) ל-HD) (S) (S) ל-HDDapine) (S) ל-HD) ל-HDDapine) ל-HD) ל-HDDapine) (S) ל-HDDOSDOSDIFate Carbonicial אלקטרו-HD) (S) (S) (S) (S) ל-HD) ל-HDDOSDate Carbonicial אלקטרו-HDDEXDEXDEXDOS (S) (S) ל-HD) ל-HD) ל-HD-HD-HD-HD) ל-HD) ל-HD) ל-HDDS) ל-HDDS)

לדחוף את גבולות הכחשת האנרגיה והבטיחות

Cathode Evolution: NMC, NCA ו- LFP

Cobalt הוא יקר, רעיל, מרוכז באזורים לא יציבים מבחינה גיאופוליטית.חוקרים ביקשו להחליף אותו.מחזורי ה-Chodes המסחריים המצליחים ביותר כיום הם תחמוצות שכבתיות המשלבות את ניקל, מאנג'יניה, וקובלט (NMC) או ניקל, צפיפות Cobalt ואלומיניום (NCA) מספק יכולת גבוהה, מאן מייצב את המבנה, Cobalt משפר את יכולת הברזל הגדלה של NMC2, בעוד ש-NMCD נמוך יותר, בעוד ש-NMCD נמוך יותר, ו-NMCD נמוך יותר, 000, 000.

Anode Evolution: From Graphite to Silicon and Lithium Metal

Graphite יש יכולת תיאורטית של 372 mAh /g, אשר מגביל את צפיפות האנרגיה של aode.סיליקון יש יכולת תיאורטית של כ 4200 mAh /g (עבור Li15Si4), מה שהופך אותו למטרה אטרקטיבית למחקר.עם זאת, סיליקון עובר התרחבות מסיבית של מעל 300% על גבי ריצוף, גורם חלקיקים לפצח ו- SEI כדי לקרוע באופן קבוע את היכולת הזו לפתח סיליקון (Ox) הוא מוביל כמה אסטרטגיות סיליקון מקוריות (כולל סיליקון) ו-Sip) סיליקון אחוריות (כולל סיליקון) כולל סיליקון) סיליקון אחוריות (כולל סיליקון) סיליקון) כולל סיליקון אחוריות (נומטרדלהלן:

סולידריות המדינה אלקטרוליטים: הגביע הקדוש של בטיחות והכחשה?

כדי להתגבר על הגמישות של אלקטרוליטים אורגניים נוזליים ולאפשר את השימוש של ליתיום מתכת, סוללות אלקטרוליטים מוצקים של המדינה (SSEs) נמצאים תחת פיתוח אינטנסיבי. SSEs יכול להיות קרמיקה (למשל, LLZO, LGPS), פולימרים (למשל, עמידות אלקטרו-בסיסית מוצק), או מורכב. Ceramics מציעים מוליכות גבוהה מכנית כי הם בעלי השפעה נמוכה מאוד, אבל הם בעלי השפעה פולינזית קשה לפתח את הלחץ המהיר על בסיס פוליקוליבית גבוהה, אבל הם לפתח את זהה יעילה מאוד, אבל זהה יעילה מאוד, אבל זהה של פולינזיס.

הבנה מדעית של מכניזם

המרדף אחר סוללות ארוכות-הימים הוביל חקירה מדעית עמוקה להשפלה.דחיסות האנרגיה הגבוהה היא חסרת תועלת אם הסוללה נכשלת לאחר כמה מאות מחזורים.טכניקות מתקדמות של אפיון חשפו את מצבי הכישלון הספציפיים:

  • (FLT:0SEI Growth ו- Electrolyte יבש-Out:FLT:1 The SEI אינו סטטי. Over Time, הוא גדל עבה יותר, צריכת מלאי ליתיום אלקטרוליטה.זהו הגורם העיקרי של יכולת דוענת בתאים המבוססים על גרפיט.
  • (FLT:0) ליתיום פלאטינג: 1FLT) במהלך טעינה מהירה או בטמפרטורות נמוכות, פוטנציאל הרוד יכול לרדת מתחת 0 V לעומת לי / לי +, גרימת מתכת ליתיום על פני השטח של הרוד במקום להתערבב לתוך הגרפן.
  • (FLT:0 Transition Metal Dissolution ו- Cation Mixing:03: 1 בקטדות גבוהות כמו NMC, כמויות קטנות של מתכות מעבר (Mn, Ni, Co) יכול להתמוסס לתוך אלקטרוליטטה. מתכות אלה נודדות ל aode and Volcan the SEI יתר על כן, ערבוב (שם Ni2+ les כובש אתרי לייום במבנה האלקטרוליטנטי) ולהפחית את יכולת הקתית של קטודה.
  • (FLT:0) חלקיקים מיקרו-קracking:FLT:1 ההתרחבות וההתכווצות של קטודה וחלקיקי אגד במהלך רכיבה על אופניים גורמים ללחץ שמוביל לפצח חלקיקים.זה חושף משטחים חדשים לאלקטרוליט, ויצר טרי SEI וצריכת יותר ליתיום.זה הוא בעייתי במיוחד עבור קטדות NMC גבוה.

הבנת המנגנונים האלה באמצעות פיזור:0 אנציקלופדיה (X-ray, פיזור נויטרונים, מיקרוסקופיה אלקטרונים) מאפשר לחוקרים לעצב חומרים גמישים יותר.לדוגמה, לעשות את ה- Cathode עם אלמנטים כגון אל או Zr יכול לייצב את המבנה שלה, בעוד ציפוי חלקיקים עם מגן (למשל, Al2O3) יכול למנוע פירוק תאים ארוכים כמו אל-ד'אן יכול לייצב את המבנה שלה, בעוד חלקיקים עם הגנה (ד) על פני חלוצים, אשר סיפקו של דאל, 000 פגזים, 000 חלוצים, דאל, דאל, דאלקים, דאל, , , חלוצים, , דאל, דאלקים, חלוציים, , , , , , , , , דאלקים, , , , דאלקים, , , , , , , , , , , , , , , , , , , דאלקים, , , , דאלקים, , , דאלקים, דאלקים, , דאלאס, דאלאס,

מסקנה: The Legacy of Scientific Persistence

הפיתוח של סוללה ליתיום המודרנית לא היה אירוע אחד, אלא תהליך מצטבר של פתרון בעיות דיסקרטיות: מציאת מארח בטוח עבור ליתיום ions, הנדסה ממשק יציב, והבנה איך חומרים נכשלים.העבודה הבסיסית של ויטינגסהאם, גודנוק, ויושיאנו סיפק את הפלטפורמה בטוחה הנדסה קריטית של SEI ופיתוח של עלות יעילה, גבוהה-תרגול טכנולוגיות חשמליות בנויות עכשיו על ידי מערכת ההפעלה של אנרגיה מתחדשת של ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , היא עכשיו, אשר מפתחת את האתגרים המדעיים יציבים, עכשיו, היא לפתח את היסודות של תעשיית האנרגיה ה-ידי מערכת ההפעלה הבסיסית של ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇