آیا کریستال های مایع به عنوان الکترولیت در باتری های لیتیوم یونی امکان ایجاد سلول های فلزی لیتیوم پایدار را فراهم می کنند؟

یک مطالعه جالب توسط دانشگاه کارنگی ملون. دانشمندان پیشنهاد کرده‌اند که از کریستال‌های مایع در سلول‌های لیتیوم یونی برای افزایش چگالی انرژی، پایداری و ظرفیت شارژ آن‌ها استفاده شود. کار هنوز پیشرفت نکرده است، بنابراین حداقل پنج سال برای تکمیل آنها - در صورت امکان - منتظر خواهیم بود.

کریستال های مایع نمایشگرها را متحول کرده اند، اکنون می توانند به باتری ها کمک کنند

فهرست مندرجات

• کریستال های مایع نمایشگرها را متحول کرده اند، اکنون می توانند به باتری ها کمک کنند
  • کریستال های مایع به عنوان یک ترفند برای به دست آوردن الکترولیت مایع-جامد

به طور خلاصه: تولید کنندگان سلول های لیتیوم یونی در حال حاضر به دنبال افزایش چگالی انرژی سلول ها در عین حفظ یا بهبود عملکرد سلول هستند، از جمله، به عنوان مثال، بهبود پایداری در قدرت های شارژ بالاتر. ایده این است که باتری ها سبک تر، ایمن تر و سریع تر شارژ شوند. کمی شبیه مثلث سریع ارزان-خوب.

یکی از راه های افزایش چشمگیر انرژی ویژه سلول ها (به میزان 1,5-3 برابر) استفاده از آندهای فلزی لیتیوم (Li-metal) است.... مثل قبل نه کربن یا سیلیکون، بلکه لیتیوم، عنصری که مستقیماً مسئول ظرفیت سلول است. مشکل این است که این آرایش به سرعت دندریت های لیتیومی را ایجاد می کند، برآمدگی های فلزی که به مرور زمان دو الکترود را به هم متصل می کند و به آنها آسیب می رساند.

کریستال های مایع به عنوان یک ترفند برای به دست آوردن الکترولیت مایع-جامد

در حال حاضر کار برای بسته بندی آندها در مواد مختلف در حال انجام است تا پوسته بیرونی تشکیل شود که جریان یون های لیتیوم را امکان پذیر می کند اما به ساختارهای جامد اجازه رشد نمی دهد. یک راه حل بالقوه برای مشکل نیز استفاده از یک الکترولیت جامد است - دیواری که دندریت ها نمی توانند از طریق آن نفوذ کنند.

دانشمندان دانشگاه کارنگی ملون رویکرد متفاوتی اتخاذ کردند: آنها می خواهند با الکترولیت های مایع اثبات شده باقی بمانند، اما بر اساس کریستال های مایع. بلورهای مایع ساختارهایی هستند که در نیمه راه بین مایع و کریستال قرار دارند، یعنی جامداتی با ساختار مرتب. کریستال های مایع مایع هستند، اما مولکول های آنها بسیار مرتب هستند (منبع).

در سطح مولکولی، ساختار یک الکترولیت کریستال مایع فقط یک ساختار کریستالی است و بنابراین رشد دندریت ها را مسدود می کند. با این حال، ما هنوز با یک مایع سروکار داریم، یعنی فازی که به یون ها اجازه می دهد بین الکترودها جریان پیدا کنند. رشد دندریت مسدود شده است، بارها باید جریان داشته باشند.

این مورد در مطالعه ذکر نشده است، اما کریستال های مایع یک ویژگی مهم دیگر نیز دارند: هنگامی که ولتاژ به آنها اعمال شود، می توان آنها را به ترتیب خاصی مرتب کرد (همانطور که می بینید، برای مثال، با نگاه کردن به این کلمات و مرز بین رنگ سیاه. حروف و پس زمینه روشن). بنابراین ممکن است زمانی اتفاق بیفتد که وقتی سلول شروع به شارژ می کند، مولکول های کریستال مایع در یک زاویه متفاوت قرار می گیرند و رسوبات دندریتی را از الکترودها "خراش می دهند".

از نظر بصری، این شبیه به بسته شدن فلپ ها است، مثلاً در سوراخ تهویه.

نقطه ضعف این وضعیت این است دانشگاه کارنگی ملون به تازگی تحقیقات خود را بر روی الکترولیت های جدید آغاز کرده است... از قبل مشخص شده است که پایداری آنها کمتر از الکترولیت های مایع معمولی است. تخریب سلولی سریعتر اتفاق می افتد، و این جهتی نیست که ما را مورد علاقه قرار می دهد. با این حال، ممکن است به مرور زمان مشکل حل شود. علاوه بر این، ما انتظار نداریم که ترکیبات حالت جامد زودتر از نیمه دوم دهه ظاهر شوند:

> LG Chem از سولفیدها در سلول های حالت جامد استفاده می کند. تجاری سازی الکترولیت جامد قبل از سال 2028

عکس مقدماتی: دندریت های لیتیومی بر روی الکترود یک سلول میکروسکوپی لیتیوم یون تشکیل می شوند. شکل تاریک بزرگ بالای آن الکترود دوم است. «حباب» اولیه اتم‌های لیتیوم در نقطه‌ای بالا می‌آید و یک «سبیل» ایجاد می‌کند که اساس دندریت در حال ظهور است (c) PNNL Unplugged / YouTube:

این ممکن است برای شما جالب باشد: