Konduktor arus yang didesain ulang meningkatkan efisiensi dan keamanan baterai lithium-ion

Ilmuwan di Stanford dan SLAC telah mendesain ulang konduktor arus – lembaran logam tipis yang mendistribusikan arus ke dan dari elektroda – untuk membuat baterai lithium-ion lebih ringan, lebih aman, dan lebih efisien. Mereka mengganti konduktor semua-tembaga, medium, dengan lapisan polimer ringan yang dilapisi dengan tembaga ultra-tipis (kanan atas), dan memasukkan penghambat api ke dalam lapisan polimer untuk memadamkan api (kanan bawah). Kredit: Yusheng Ye / Universitas Stanford

Penambahan polimer dan penghambat api ke pengumpul baterai saat ini membuatnya lebih ringan, lebih aman, dan sekitar 20% lebih efisien.

Dalam pendekatan yang benar-benar baru untuk membuat baterai lithium-ion lebih ringan, lebih aman, dan lebih efisien, para ilmuwan di Universitas Stanford dan National Accelerator Laboratory SLAC dari Departemen Energi telah merekayasa ulang baterai tersebut. komponen baterai yang lebih berat – foil tembaga atau aluminium foil yang dikenal sebagai pengumpul arus – sehingga beratnya 80% lebih sedikit dan segera mematikan penyalaan apa pun.

Jika diadopsi, kata para peneliti, teknologi ini dapat mengatasi dua tujuan utama penelitian baterai: memperluas jarak mengemudi kendaraan listrik dan mengurangi bahaya yang ditimbulkan oleh laptop, ponsel, dan lainnya. peralatan terbakar. Hal ini sangat penting terutama saat baterai sedang diisi dengan sangat cepat, menciptakan lebih banyak jenis kerusakan pada baterai yang dapat menyebabkan kebakaran.

Tim peneliti mendeskripsikan pekerjaan mereka dalam Energi Alam pada tanggal 15 Oktober 2020.

“Kolektor saat ini selalu dianggap sebagai bobot mati, dan sejauh ini belum berhasil dieksploitasi untuk meningkatkan kinerja baterai,” kata Yi Cui, profesor di SLAC dan Stanford dan peneliti di Stanford Institute. untuk Ilmu Material dan Energi (SIMES) yang memimpin penelitian.

“Namun dalam penelitian kami, menjadikan kolektor 80% lebih ringan meningkatkan kepadatan energi baterai lithium-ion – berapa banyak energi yang dapat mereka simpan dalam berat tertentu – sebesar 16-26%. Ini lompatan besar dibandingkan dengan rata-rata peningkatan 3% dicapai dalam beberapa tahun terakhir ”.

Kolektor saat ini didesain ulang untuk Baterai Lithium-Ion

Menanggapi kolektor saat ini dalam baterai lithium-ion saat ini, versi baru yang dirancang oleh ilmuwan Stanford dan SLAC membuat baterai lebih ringan, lebih hemat energi, dan lebih aman. Ini juga dapat mengurangi biaya dengan mengganti tembaga dengan polimer yang lebih mahal dan mengurangi biaya pengangkutan baterai untuk didaur ulang. Kredit: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Dengan putus asa mencari penurunan berat badan

Mereka datang dalam bentuk silinder atau tas, baterai lithium-ion memiliki dua pengumpul arus, satu untuk setiap elektroda. Mereka mendistribusikan arus yang mengalir masuk atau keluar dari elektroda, dan menyumbang 15% hingga 50% dari berat beberapa baterai berdaya tinggi atau sangat tipis. Menurunkan bobot baterai memang diinginkan, memungkinkan perangkat yang lebih ringan dan mengurangi jumlah bobot yang harus dibawa kendaraan listrik; menyimpan lebih banyak energi untuk bobot tertentu memungkinkan perangkat dan kendaraan listrik melewati lebih lama di antara pengisian daya.

Mengurangi berat baterai dan mudah terbakar juga dapat berdampak besar pada daur ulang, membuat pengangkutan baterai daur ulang lebih murah, kata Cui.

Para peneliti di industri baterai telah berusaha untuk mengurangi berat pengumpul arus dengan membuatnya lebih tipis atau lebih berpori, tetapi upaya ini memiliki efek samping yang tidak diinginkan, seperti membuat baterai lebih rapuh atau tidak stabil secara kimiawi atau membutuhkan lebih banyak elektrolit, yang meningkatkan biaya, kata Yusheng Ye, peneliti pascadoktoral di lab Cui yang melakukan eksperimen dengan peneliti tamu Lien-Yang Chou.

Mengenai masalah keamanan, dia berkata: “Orang-orang juga telah mencoba menambahkan penghambat api ke elektrolit baterai, yang merupakan bagian yang mudah terbakar, tetapi Anda hanya dapat menambahkan terlalu banyak sebelum menjadi kental dan tidak melakukan lebih banyak ion dengan baik ”.

Kemudahan terbakar dan Baterai dalam Kantong Lithium-Ion

Dalam sebuah penelitian di Stanford dan SLAC, paket baterai lithium-ion yang dibuat dengan pengumpul daya komersial saat ini (baris atas) terbakar ketika terkena api terbuka dan terbakar dengan kuat sampai semua elektrolitnya terbakar. Baterai dengan kolektor tahan api baru (baris bawah) menghasilkan api samar yang menghilang dalam hitungan detik, dan tidak lagi tersulut bahkan ketika para ilmuwan mencoba menyalakannya kembali. Kredit: Yusheng Ye / Universitas Stanford

Rencanakan sandwich daun polimer

Setelah bertukar pikiran tentang masalah tersebut, Cui, Ye dan mahasiswa pascasarjana Yayuan Liu merancang eksperimen untuk membuat dan menguji kolektor saat ini berdasarkan polimer ringan yang disebut poliamida, yang tahan api dan naik ke suhu tinggi yang diciptakan oleh pengisian baterai cepat. Sebuah penghambat api – trifenilfosfat, atau TPP – tertanam di polimer, yang kemudian dilapisi pada kedua permukaan dengan lapisan tembaga yang sangat tipis. Tembaga tidak hanya akan melakukan tugasnya biasanya mendistribusikan arus, tetapi juga melindungi polimer dan penghambat apinya.

Perubahan tersebut telah mengurangi berat kolektor saat ini hingga 80% dibandingkan dengan versi saat ini, kata Ye, yang berarti peningkatan kepadatan energi sebesar 16-26% di berbagai jenis baterai, dan menghasilkan arus sebanyak itu. kolektor biasa tanpa degradasi.

Ketika terkena api terbuka dari korek api, baterai kantong yang dibuat dengan kolektor listrik komersial saat ini terbakar dan terbakar dengan kuat sampai semua elektrolit terbakar, kata Ye. Tetapi dalam baterai dengan alat pemadam api baru, api tidak pernah benar-benar dioperasikan, menghasilkan api yang sangat lemah yang menghilang dalam beberapa detik, dan tidak menyala bahkan ketika para ilmuwan mencoba menyalakannya kembali.

Salah satu keuntungan besar dari pendekatan ini, kata Cui, adalah kolektor baru harus mudah dibuat dan bahkan lebih ekonomis, karena mengganti sebagian tembaga dengan polimer berbiaya rendah. Jadi, penskalaan kembali untuk produksi komersial, katanya, “harus sangat layak.” Para peneliti mengajukan paten melalui Stanford, dan Cui mengatakan mereka akan menghubungi produsen baterai untuk mengetahui kemungkinannya.

Referensi: “Kolektor pemadam api dan api ultralight untuk baterai lithium berenergi tinggi dan keamanan tinggi” oleh Yusheng Ye, Lien-Yang Chou, Yayuan Liu, Hansen Wang, Hiang Kwee Lee, Wenxiao Huang, Jiayu Wan, Kai Liu, Guangmin Zhou, Yufei Yang, Ankun Yang, Xin Xiao, Xin Gao, David Thomas Boyle, Hao Chen, Wenbo Zhang, Sang Cheol Kim dan Yi Cui, 15 Oktober 2020, Energi Alam.
DOI: 10.1038 / s41560-020-00702-8

Pekerjaan ini telah didukung oleh Office of Energy Efficiency and Renewable Energy of DOE, Office of Vehicle Technologies dalam program eXtreme Fast Charge Cell Evaluation of Lithium-ion Batteries (XCEL).

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Teori konspirasi memengaruhi perilaku kita – bahkan jika kita tidak mempercayainya!

Paling tidak karena COVID-19 pandemi, teori konspirasi lebih relevan dari sebelumnya. Mereka diberitakan dan didiskusikan di hampir semua media dan komunikasi. Tapi...

“Doodle Ringan” Nyata dalam Waktu Nyata

Para peneliti di Tokyo Metropolitan University telah merancang dan menerapkan algoritme yang disederhanakan untuk mengubah garis yang digambar secara bebas menjadi hologram pada CPU...

Teleskop Webb NASA menyertakan tabir surya seukuran lapangan tenis untuk perjalanan jutaan kilometer

Kedua wajah tabir surya James Webb Space Telescope dinaikkan secara vertikal untuk mempersiapkan pelipatan lapisan tabir surya. Kredit: NASA / Chris Gunn Insinyur bekerja...

Mineralogi Hangat Global Mengelola Pusat Perlindungan Kehidupan Batin

Tim lapangan DeMMO dari kiri ke kanan: Lily Momper, Brittany Kruger, dan Caitlin Casar mengambil sampel air yang meledak dari toilet DeMMO. Pendanaan:...

Genom manusia modern tertua, direkonstruksi menggunakan DNA tengkorak berusia 45 tahun

Tengkorak dari Gua Zlatyk dekat Praha ini adalah milik orang modern paling awal yang diketahui di Eropa. Penulis: Marek Jantach Tengkorak fosil seorang wanita...

Newsletter

Subscribe to stay updated.