Sicherere, leistungsfähigere Batterien zum Besten von Elektroautos, Stromnetz

Festkörperbatterien, die derzeit in kleinen elektronischen Geräten wie Smartwatches verwendet werden, nach sich ziehen dies Potenzial, sicherer und leistungsfähiger zu sein qua Lithium-Ionen-Batterien zum Besten von Gimmick wie Elektroautos und die Speicherung von Schwung aus Sonnenkollektoren zum Besten von die spätere Verwendung. Es bleiben jedoch noch manche technische Herausforderungen, im Vorfeld sich Festkörperbatterien durchsetzen können.

Eine von den Sandia Nationalistisch Laboratories geleitete Studie, die am 7. März in jener Fachzeitschrift Joule veröffentlicht wurde, befasste sich mit einer dieser Herausforderungen – einer weit gehegten Erwartung, dass dies Hinzufügen von irgendetwas flüssigem Elektrolyt zur Verbesserung jener Leistung Festkörperbatterien zögerlich zeugen würde.

Stattdessen stellte dies Forscherteam stramm, dass Festkörperbatterien mit irgendetwas flüssigem Elektrolyt in vielen Fällen sicherer waren qua ihre Lithium-Ionen-Pendants. Sie fanden gleichfalls hervor, dass die theoretisch supersichere Weltraum-Solid-State-Batterie im Kontext einem Kurzschluss jener Batterie, die ihre gesamte gespeicherte Schwung freisetzt, eine gefährliche Menge an Wärme durchgeben könnte.

„Festkörperbatterien nach sich ziehen dies Potenzial, sicherer zu sein, und sie nach sich ziehen dies Potenzial zum Besten von eine höhere Energiedichte“, sagte Alex Bates, ein Sandia-Postdoktorand, jener die Studie zum Besten von die Bericht leitete. „Dies bedeutet, dass Sie im Kontext Elektrofahrzeugen zwischen den Ladevorgängen weiter umziehen könnten oder weniger Batterien zum Besten von die Energiespeicherung im Netzmaßstab benötigen. Die Zugabe von flüssigem Elektrolyt kann dazu hinzufügen, die Lücke zur Vermarktung zu schließen, ohne die Sicherheit zu verschärfen.“

Bessere Batterien durch Chemie
Festkörperbatterien sind irgendetwas wie Lithium-Ionen-Batterien. In beiden in Bewegung setzen sich Lithium-Ionen von einer Seite jener Batterie zur anderen, während Elektronen durch zusammenführen Stromkreis fließen, um dies Gerät mit Strom zu versorgen. Ein großer Unterschied besteht darin, dass es in einer Lithium-Ionen-Batterie eine Substanz gibt, die den Lithium-Ionen hilft, sich schnell zu in Bewegung setzen: jener flüssige Elektrolyt.

Loraine Torres-Castro, Expertin zum Besten von Batteriesicherheit im Battery Abuse Testing Laboratory von Sandia, die an dem Projekt beteiligt ist, vergleicht Flüssigelektrolyt mit einer Flotte von Autos, die in Einfahrten einfahren: Es transportiert Lithium-Ionen schonungslos dorthin, wo sie hin sollen. Derzeitige flüssige Elektrolyte sind jedoch brennbar und können eine Batterieexplosion oder zusammenführen Braunfäule verursachen, insbesondere wenn die Batterie kaputt ist.

In einer Festkörperbatterie wird jener flüssige Elektrolyt durch ein festes Werkstoff ersetzt, dies qua Festelektrolyt bezeichnet wird und gleichfalls dazu beiträgt, dass sich die Lithiumionen schnell in Bewegung setzen. Eine technische Herausforderung besteht darin, dass sich die Lithium-Ionen zwar schnell im Festelektrolyten in Bewegung setzen können, es ihnen jedoch schwergewichtig fällt, vom Festelektrolyten zu den Elektroden und umgekehrt zu gelangen, sagte Bates. Jener Festelektrolyt könnte mit einem Zugkader verglichen werden, jener die Lithium-Ionen ebenfalls schnell zum Verkehrsstation pendelt, nur dann sollen die Fahrgäste noch ein kleinster Teil weiter gondeln, um nachdem Hause zu kommen.

Eine Möglichkeit, wie Wissenschaftler dieses „direkte Pendeln“ – und damit die Ladegeschwindigkeit und -leistung jener Batterie – beschleunigt nach sich ziehen, besteht darin, jener positiven Seite jener Batterie kleine Menge flüssiges Elektrolyt hinzuzufügen.

Yuliya Preger, eine Batteriezuverlässigkeitsexpertin von Sandia zum Besten von dies Projekt, sagte jedoch: „In jener Forschungsgemeinschaft zum Besten von Festkörperbatterien gab es viele Kontroversen droben die Sicherheit jener Zugabe von flüssigem Elektrolyt zum ‚Schmieren jener Räder‘. Manche Wissenschaftler sagen, dass jede Menge flüssiger Elektrolyte zögerlich ist. Darob nach sich ziehen wir die Berechnungen durchgeführt, um zu sehen, welche Auswirkungen flüssige Elektrolyte nach sich ziehen könnten, anstatt nur die ‚Parteilinie‘ zu einwilligen.“

Steve Harris, ein Batteriewissenschaftler am Lawrence Berkeley Nationalistisch Laboratory, und Katie Harrison, eine Sandia-Batteriewissenschaftlerin, stellten zuerst die „Parteilinie“ in Frage, die zu jener Studie führte. Beiderlei waren an jener Studie beteiligt.

Wie sicher sind Festkörperbatterien?
Um herauszufinden, wie sicher eine Festkörperbatterie mit irgendetwas flüssigem Elektrolyt wäre, berechnete dies Forschungsteam zunächst, wie viel Wärme in einer Lithium-Ionen-Batterie, einer reinen Festkörperbatterie und Festkörperbatterie freigesetzt werden könnte Batterien mit unterschiedlichen Mengen an flüssigem Elektrolyt. Sämtliche getesteten Batterien hatten äquivalente Mengen an gespeicherter Schwung. Dann betrachteten sie drei verschiedene schlechte Gimmick, die den Batterien vorbeigehen könnten, und die Wärme, die aufgrund jeder Typ von Betriebsstörung freigesetzt würde.

„Wir begannen damit, zu in die Pflicht nehmen, wie viel chemische Schwung in den drei Arten von Batterien enthalten ist“, sagte John Hewson, ein Sandia-Meister zum Besten von die Wärmefreisetzungsberechnung des Projekts. „Man kann nur so viel Schwung herauslösen, die den Speicherzelle irgendetwas aufheizt, wenn es doch zu einer chemischen Reaktion kommt.“

Dies erste Schlimme, welches vorbeigehen könnte, ist, wenn die Batterien Feuer fangen – entweder von einer benachbarten Batterie oder einem umliegenden Gebäude – sagte Torres-Castro. In diesen Fällen fanden die Forscher hervor, dass die Festkörperbatterie mit wenig flüssigem Elektrolyt etwa ein Fünftel jener Wärme einer vergleichbaren Lithium-Ionen-Batterie produzierte – je nachdem, wie viel flüssiger Elektrolyt sie enthielt. Die Festkörperbatterie ohne Flüssigelektrolyt produzierte in diesem Szenario keine Wärme.

Die zweite schlechte Sache, die den Batterien vorbeigehen könnte, ist, wenn wiederholtes Laden und Entlassen dazu führt, dass dies Lithiummetall eine „Spitze“ bildet, die qua Dendriten bezeichnet wird. Dieser Dendrit kann ein Loch durch den Separator stechen, dies die beiden Seiten unangeschlossen hält und zusammenführen Kurzschluss verursacht, sagte Preger. Dies ist ein bekanntes Problem im Kontext allen Batterien, die hinauf einer Seite Lithiummetall nach sich ziehen. In diesem Kernpunkt erzeugten die Gesamtheit drei Batterien ähnliche Wärmemengen, die davon abhingen, wie viel Lithiummetall in den Batterien enthalten war.

Die dritte schlechte Sache, die einer Festkörperbatterie vorbeigehen kann, ist, dass jener Festelektrolyt ermüden könnte. Laut Torres-Castro könnte dies vorbeigehen, wenn die Batterie zerdrückt oder durchstochen wird oder wenn während des Betriebs Komprimierung aufgebaut wird, wodurch Sauerstoffgas von einer Seite jener Batterie mit dem Lithiummetall hinauf jener anderen Seite reagieren kann. In diesen Fällen konnte die Festkörperbatterie ohne Flüssigelektrolyt Temperaturen nahe jener Lithium-Ionen-Batterie glücken, welches dies Team verwunderlich fand.

Von Sicherheitsberechnungen solange bis hin zu Laborexperimenten
„Eines jener Versprechen von Feststoffbatterien ist, dass sie sicher sind, weil jener Festelektrolyt stramm ist und unwahrscheinlich ist, dass er bricht. Dennoch wenn er bricht, könnte jener Temperaturanstieg ungefähr so ​​​​stark sein wie beim Betriebsstörung von Lithium-Ionen-Batterien“, sagt Preger genannt. „Sie Studie hat gezeigt, wie wichtig es ist, diesen Separator so zu konstruieren, dass er nicht ausfällt.“

Die nächsten Schritte zum Besten von dies Projekt zusammenfassen die Umsetzung ähnlicher Berechnungen mit anderen Festelektrolytmaterialien und die Umsetzung von Experimenten zur Validierung jener neuen und ursprünglichen Berechnungen, sagte Bates.

„Wir nach sich ziehen festgestellt, dass Festkörperbatterien, die Lithiummetall enthalten, potenziell gefährlich sein können, unabhängig davon, ob sie flüssigen Elektrolyten enthalten oder nicht“, sagte er. „Welches wir in diesem Manuskript darauf hinweisen wollten, ist, dass es zusammenführen klaren Kompromiss zwischen Leistung und Sicherheit gibt, nur dies Hinzufügen von irgendetwas Körperflüssigkeit kann die Leistung erheblich steigern, während es nur zusammenführen geringen Kraft hinauf die Sicherheit hat.“

Dies Verständnis dieses Kompromisses kann helfen, die Vermarktung zu beschleunigen, fügte Torres-Castro hinzu. „Die Klarheit und dies Vertrauen zu nach sich ziehen, dass dies Wissen um eine kleine Menge flüssigen Elektrolyten keine großen Sicherheitsprobleme aufwirft, kann jener Weiterentwicklung kommerzieller Festkörperbatterien helfen. Dies Hinzufügen von flüssigem Elektrolyten könnte eines ihrer Hauptprobleme lockern, die Festelektrolytschnittstelle.“

Forschungsbericht: „Sind Festkörperbatterien sicherer qua Lithium-Ionen-Batterien?“

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