האם גבישים נוזליים כאלקטרוליטים בסוללות ליתיום-יון יאפשרו ליצור תאי מתכת ליתיום יציבים?

מחקר מעניין של אוניברסיטת קרנגי מלון. מדענים הציעו להשתמש בגבישים נוזליים בתאי ליתיום-יון כדי להגביר את צפיפות האנרגיה, היציבות ויכולת הטעינה שלהם. העבודות טרם התקדמו, ולכן נחכה לפחות חמש שנים לסיומן - אם בכלל ניתן.

גבישים נוזליים חוללו מהפכה בתצוגות, כעת הם יכולים לעזור לסוללות

תוכן העניינים

• גבישים נוזליים חוללו מהפכה בתצוגות, כעת הם יכולים לעזור לסוללות
  • גבישים נוזליים כטריק להשגת אלקטרוליט נוזלי-מוצק

בקיצור: יצרני תאי ליתיום-יון מבקשים כיום להגביר את צפיפות האנרגיה של התאים תוך שמירה או שיפור ביצועי התא, כולל, למשל, שיפור היציבות בהספקי טעינה גבוהים יותר. הרעיון הוא להפוך את הסוללות לקלות יותר, בטוחות יותר ומהיר יותר לטעינה מחדש. קצת כמו המשולש מהיר-זול-טוב.

אחת הדרכים להגדיל משמעותית את האנרגיה הספציפית של תאים (פי 1,5-3) היא שימוש באנודות העשויות ממתכת ליתיום (Li-metal).... לא פחמן או סיליקון, כמו קודם, אלא ליתיום, יסוד שאחראי ישירות על קיבולת התא. הבעיה היא שהסידור הזה מפתח במהירות ליתיום דנדריטים, בליטות מתכת שלאורך זמן מחברות את שתי האלקטרודות, ופוגעות בהן.

גבישים נוזליים כטריק להשגת אלקטרוליט נוזלי-מוצק

בימים אלה מתבצעת עבודה לאריזת אנודות בחומרים שונים ליצירת מעטפת חיצונית המאפשרת זרימה של יוני ליתיום אך אינה מאפשרת למבנים מוצקים לצמוח. פתרון פוטנציאלי לבעיה הוא גם שימוש באלקטרוליט מוצק – קיר שדרכו הדנדריטים לא יכולים לחדור.

מדענים מאוניברסיטת קרנגי מלון נקטו בגישה שונה: הם רוצים להישאר עם אלקטרוליטים נוזליים מוכחים, אבל מבוססים על גבישים נוזליים. גבישים נוזליים הם מבנים שנמצאים באמצע הדרך בין נוזל לגבישים, כלומר מוצקים בעלי מבנה מסודר. גבישים נוזליים הם נוזליים, אך המולקולות שלהם מסודרות מאוד (מקור).

ברמה המולקולרית, המבנה של אלקטרוליט גביש נוזלי הוא רק מבנה גבישי ובכך חוסם את הצמיחה של דנדריטים. עם זאת, עדיין עסקינן בנוזל, כלומר, שלב המאפשר זרימת יונים בין האלקטרודות. צמיחת הדנדריטים חסומה, עומסים חייבים לזרום.

זה לא מוזכר במחקר, אבל לגבישים נוזליים יש תכונה חשובה נוספת: ברגע שמופעל עליהם מתח, ניתן לסדר אותם בסדר מסוים (כפי שניתן לראות, למשל, על ידי התבוננות במילים אלו ובגבול בין שחור אותיות ורקע בהיר). אז יכול לקרות שכאשר התא מתחיל להיטען, מולקולות הגביש הנוזלי ימוקמו בזווית אחרת ו"יגרדו" משקעים דנדריטים מהאלקטרודות.

מבחינה ויזואלית, זה ידמה את סגירת הדשים, למשל, בחור האוורור.

החיסרון של המצב הוא זה אוניברסיטת קרנגי מלון רק החלה במחקר על אלקטרוליטים חדשים... כבר ידוע שיציבותם נמוכה מזו של אלקטרוליטים נוזליים רגילים. פירוק תאים מתרחש מהר יותר, וזה לא הכיוון שמעניין אותנו. עם זאת, ייתכן שעם הזמן הבעיה תיפתר. יתר על כן, איננו מצפים להופעה של תרכובות במצב מוצק מוקדם יותר מהמחצית השנייה של העשור:

> LG Chem משתמשת בסולפידים בתאי מצב מוצק. מסחור אלקטרוליטים מוצקים לא לפני 2028

צילום מבוא: דנדריטים ליתיום נוצרים על האלקטרודה של תא ליתיום-יון מיקרוסקופי. הדמות הכהה הגדולה למעלה היא האלקטרודה השנייה. ה"בועה" הראשונית של אטומי ליתיום צומחת בשלב מסוים, ויוצרת "שפם" שהוא הבסיס לדנדריט המתהווה (c) PNNL Unplugged / YouTube:

זה עשוי לעניין אותך: