Zhenan Bao: Daha yüksek enerjili sodyum iyon piller, lityum pillerden en az% 20 daha düşük maliyetlidir
("MIT Technology Review" APP'nin Çince ve İngilizce versiyonu artık çevrimiçi ve yıllık aboneler her hafta teknoloji İngilizcesi dersini canlı yayınlıyor ve ayrıca bir teknoloji İngilizce öğrenme topluluğu da var ~)
9 Ekim 2017'de Nature Energy dergisinde çığır açan bir araştırma sonucu yayınlandı. Ünlü Çinli malzeme bilimcileri Bao Zhenan ve Cui Yi liderliğindeki bir malzeme bilimi araştırma ekibi, Sodyum iyon piller için yeni bir katot malzemesi türü. Malzemenin çok yüksek bir pil kapasitesi ve sınırlı mineral kaynakları nedeniyle pahalı lityum iyon pillerin yerini alması beklenen döngü ömründe önemli bir artış var.
Resim | Ünlü Çinli malzeme bilimcileri Bao Zhenan (solda), Cui Yi (ortada) ve bu makalenin ilk yazarı, Stanford Üniversitesi doktora sonrası doktora öğrencisi Min ah Lee (sağda)
Bu yeni malzeme türü, sodyum iyon pillerin performansını büyük ölçüde artıran yeni bir fikir kullanıyor Dönen pilin kapasitesi 484 mAh / g'ye ulaşır ve katot enerji yoğunluğu 726 Wh / kg kadar yüksektir.
Bu makalenin ilk yazarı ve Stanford Üniversitesi'nde doktora sonrası araştırmacı olan Min ah Lee de DT Jun'a şunları söyledi: "Yeni katotumuz oksijen ve sodyumdan oluşuyor ve geleneksel lityum katotlarla karşılaştırılabilir bir enerji yoğunluğuna sahip. Lityum iyon pilleri değiştirmek için sodyum iyon piller için güvenilir bir katot olarak kullanılabilir."
Daha da çarpıcı olan şey, yeryüzündeki son derece zengin sodyum rezervleri nedeniyle, sodyum iyon pil katot malzemelerinin madencilik ve üretim maliyetinin lityum iyon pillerin yalnızca 1 / 100'ü kadar olması ve böylece sodyum iyon pillerin toplam maliyetini lityum iyon pillerin% 80'ine kadar kontrol etmesidir. Ya da öylesine. Bu çığır açan teknolojik ilerleme, insanlığın büyük ölçekli enerji depolamaya giden yolda başka bir sağlam adım atmasına izin verdi.
Şekil | Lityum piller için küresel talep artmaya devam ederken, lityum madenlerinin arzı yetersiz ve fiyatlar artıyor. Rezervler tükendikçe fiyatları daha da artabilir
Aslında, mobil terminaller için en güvenilir pil olan lityum iyon piller, daha yüksek enerji yoğunluğu ve daha kapsamlı şarj ve deşarj derinliği ile cep telefonları, bilgisayarlar ve elektrikli araçlar gibi şarj edilebilir piller gerektiren uygulama senaryolarının çoğuna hakimdir. Ayrıca, ölçek ekonomilerinin etkisiyle lityum pillerin üretim kapasitesi arttıkça, fiyatları uzun yıllar düşüş eğilimini sürdürmüş ve diğer pil teknolojilerine göre rekabet avantajlarını daha da pekiştirmiştir.
Hatta bazı bilim adamları bunu düşünüyor Yeryüzündeki tüm lityum madenleri çıkarılmadan önce, lityum pillerin durumunu değiştirecek başka piller olmayacak.
ancak, "Tükenmiş rezervler" Bu görünüşte fantastik senaryo, sektördeki birçok insan için gerçek bir endişe haline geliyor. Küresel lityum pil üretimi bağlamında yeni zirvelere yükseldi ve lityum pillerin genel fiyatı keskin bir şekilde düştü, lityum pil elektrotları üretmek için kullanılan bazı hammaddelerin fiyatları yükseldi. Bunun nedeni, lityum piller için katot malzemeleri üretmek için kullanılabilecek dünyanın mineral kaynaklarının (lityum cevheri, kobalt cevheri vb.) Aslında bol miktarda olmamasıdır.
Lityum pil üretimine yönelik mevcut talebi karşılamak için, dünya çapında çeşitli madenlerin üretim kapasitesi sınırlara kadar zorlandı ve üretim kapasitesini artırmak çok zor. Hızlandırılmış madencilik de bu sınırlı maden kaynaklarını erken tüketecek ve bu da fiyatları daha da artıracaktır. Bu nedenle, lityum iyon piller, çoğu ürünün asla karşılaşmayacağı bir zorlukla karşı karşıyadır: çıktı arttıkça, fiyat sadece düşmeye devam edemez, aynı zamanda keskin bir şekilde artabilir.
Bu sorunu çözmek için bilim adamları, periyodik tablodaki lityumun yanında bulunan ve özellikleri de çok benzer olan başka bir elemente gözlerini dikmişlerdir. sodyum. Lityum kaynaklarıyla karşılaştırıldığında, yeryüzündeki sodyum kaynaklarının rezervlerinin tükenmesi neredeyse imkansızdır: engin okyanustan her evin yemek masasına kadar her yerde sodyum klorür - sofra tuzu vardır. Elektrot malzemesi olarak sodyum iyonları kullanılıyorsa, ton lityum iyon pil malzemesi başına 15.000 ABD dolarına varan fiyatla karşılaştırıldığında, Ton başına maliyeti yalnızca 150 ABD doları olacak ki bu da 100 kat daha ucuzdur.
Şekil | Lityum ile karşılaştırıldığında, dünyadaki sodyum kaynakları çok zengindir. Denizde, tuz göllerinde ve tuz madenlerinde sodyum, kabuktaki kütlenin% 2,7'sinden fazlasını kaplar. Bu nedenle sodyumdan üretilen piller, lityum pillere göre çok daha ucuz olacaktır.
Bununla birlikte, geniş uygulama beklentilerine rağmen, sodyum iyon pillerin araştırması kesin bir atılım yapmadı.
Aslında, sodyum iyon piller üzerine araştırmalar, lityum iyon pillerle aynı zamanda başladı. Redoks reaksiyonu gerektiren diğer pillerin aksine, bu iki tür pil " Sallanan sandalye bataryası " İyonların şarj etme ve boşaltma amacına ulaşması için anot ve katot arasında gidip gelmesi gerekir. Başka bir deyişle, katot ve anodun rolü, elektrik akımı oluşturmak için kullanılan iyonları toplamak, depolamak ve serbest bırakmaktır.
Şekil | Pil yapmak için birçok öğe kullanılır. Çeşitli özelliklere göre lityum şu anda en iyi seçenektir. Bununla birlikte, lityum pil elektrot malzemelerinin mineral kaynak rezervlerinin eksikliği, gelecekteki gelişimi için gizli bir endişe yarattı.
1980'lerde lityum iyon katot malzemelerinin araştırılmasında atılımlar yapıldı.Lityum kobalt oksit gibi malzemelerle temsil edilen katot malzemelerinin ve genellikle grafitten oluşan anot malzemelerinin kombinasyonu, lityum iyon pillere mükemmel performans verdi. Önceki Ni-MH şarj edilebilir pilin yerini aldı ve binlerce eve girdi. Bununla birlikte, sodyum iyon pillerin elektrot malzemeleri üzerine yapılan araştırmalar o kadar pürüzsüz olmamıştır.
Aslında, iyon piller verimli çalışacaksa, aşağıdaki iki koşulun aynı anda karşılanması gerekir. Bununla birlikte, önceki çalışmalarda, sodyum iyon pillerin katot malzemeleri ya yüksek enerji yoğunluğuna ancak kısa çevrim ömrüne sahip ya da uzun çevrim ömrüne ancak düşük enerji yoğunluğuna sahip.
· Enerji yoğunluğu yeterince yüksektir ve birim kütle başına düşen pil yeterli gücü sağlayabilir;
· Uzun çevrim ömrü, şarj ve deşarj döngülerinin sayısının artmasıyla güç önemli ölçüde azalmaz.
Bu kez, Stanford Üniversitesi ekibi, katot malzemeleri olarak geçiş elementi oksitleri veya polianyonları kullanma şeklindeki önceki düşünce çerçevesinden atladı ve sodyum iyonlarıyla birleştirilmiş yeni bir organik materyal "inositol" kullandı.
Bu bulamaç ismini duymamış olabilirsiniz, ancak yapı olarak glikoza çok benzeyen bu tür organik maddeler, hayvanlarda ve bitkilerde yaygın olarak bulunur.Bu, hayvanlar ve mikroorganizmalar için bir büyüme faktörü ve gıdalarda ortak bir besindir. Endüstrinin çok aşina olduğu bir tür organik madde olarak inositol teknolojisi olgunlaşmış ve yaygın olarak kullanılmaktadır, bu da sodyum iyon pillerin maliyetini kontrol etmek için çok önemlidir.
Sodyum ve inositol, Na2C6O6'da birleştirilebilir, bu bileşik çok ideal bir katot malzemesidir, teorik olarak bir seferde 4 sodyum iyonu taşıyabilir, bu nedenle pil çok yüksek bir kapasiteye sahip olabilir - 501mAH / g.
Aslında, Bao Zhenan'ın ekibinden önce, biri sodyum iyon pilleri üretmek için elektrot malzemesi olarak Na2C6O6'yı kullanmaya çalıştı. Bununla birlikte, teorik olarak en yüksek 4 sodyum iyonu taşıma kapasitesine ulaşmak pratikte gerçekten zordur, bu da Na2C6O6 pilin enerji yoğunluğunu beklenenden çok daha düşük hale getirir.
Ek olarak, bir şarj-deşarj döngüsü geçtiği sürece, ikinci döngünün enerji yoğunluğu daha da keskin bir şekilde düşecek ve bu da gerçek kullanım ihtiyaçlarını hiç karşılayamayacaktır. Gerçek kullanım senaryolarında, batarya yüzlerce ve hatta binlerce şarj ve deşarj döngüsünden sonra da nispeten yeterli bir gücü muhafaza etmelidir.
Şekil | Bao Zhenan'ın ekibi tarafından kullanılan sodyum iyon piller için yeni bir katot malzemesi türü. Sağdaki sarı, kırmızı ve gri inositol içinde "gömülü" sodyum iyonlarıdır. Bir Na2C6O6, son derece yüksek enerji yoğunluğu ile bir seferde 4'e kadar sodyum iyonu taşıyabilir
Min ah Lee diyor "Bu çalışmadaki en büyük engel, önceki çalışmalarda bu bileşiğin yalnızca iki birimden daha az sodyum ve elektron depolayabilmesidir ki bu, lityum iyon pil katotlarının enerji yoğunluğu ile rekabet etmek için yeterli değildir. Ancak burada, redoks reaksiyon sürecindeki faz değişim kinetiği sınırlamasını anlıyor ve çözüyoruz, böylece bu bileşik dört sodyum depolayabilir. "
Bu araştırmada Stanford ekibi, Na2C6O6 pilinin mekanizmasını çok derinlemesine araştırdı. Atomik seviyedeki kuvvetlerin ayrıntılı bir analizi yoluyla, bu malzemenin gerçek gücünün ideal güçten daha düşük olduğu gizemini başarıyla ortaya çıkardılar: Sodyum iyonlarını elektrotla birleştirme ve deinterkalasyon işleminde, yalnızca malzeme tersine çevrilebilir bir faz değişikliğine uğradığında dört sodyum iyonunun da reaksiyona katılması mümkün olabilir. Önceki çalışmalarda, malzeme özel bir işlem yapılmadan yalnızca geri döndürülemez faz değişikliklerine maruz kalacaktı, bu da reaksiyona 4'ten az sodyum iyonunun katılmasına ve dolayısıyla ideal enerji yoğunluğundan daha düşük olmasına neden oluyordu.
Prensibi netleştirdikten sonra, aktif partiküllerin hacmini azaltarak ve uygun elektroliti seçerek geri dönüşümsüz süreci tersine çevrilebilir bir sürece dönüştürmeyi başardılar, böylece Na2C6O6 pilin geri dönüştürülebilir pil kapasitesini teorik üst sınır olan 484 mAH'a yaklaştırdılar. g. Dahası, maksimum pil kapasitesinin düşüş oranı da eskisine göre önemli ölçüde daha düşük ve katot enerji dönüşüm verimliliği% 87'ye ulaştı.
Bu, sodyum iyon piller için katot malzemeleri araştırma alanında şimdiye kadarki en iyi başarıdır ve büyük bir çığır açıcı öneme sahiptir. Sodyum iyon pillerin temelde ilk kez döngü stabilitesi hedefine ulaşırken yüksek enerji yoğunluğu elde etmesine izin verirler. Ucuz sodyum ve inositol kullanımı ve enerji yoğunluğu lityum pillerden önemli ölçüde daha yüksek olduğu için araştırmacılar, bu pilin maliyetinin aynı güçteki lityum pilin% 80'inden daha azıyla kontrol edilmesinin beklendiğini iddia ediyor ki bu büyük bir gelişme.
Şekil | Na2C6O6 nanopartikülleri şarj edilmeden önce (solda), tamamen şarj olduktan sonra büyük miktarda sodyum iyonunu bağlayabilir (sağda)
Bununla birlikte, bu yalnızca bir ön araştırma sonucudur ve pratik uygulamaya hala belli bir mesafe vardır.
Her şeyden önce, Bao Zhenan'ın ekibi yalnızca başlangıçta katot malzemesinin döngü ömrü sorununu çözdü. 50 döngüden sonra, Na2C6O6 elektrodunun kapasitesi yaklaşık% 10 düştü. Önceki çalışmalarla karşılaştırıldığında, bu zaten çok etkileyici bir başarı, Bununla birlikte, fiili kullanımda yüzlerce döngü gerekliliğinden önce gidilmesi gereken hala uzun bir yol vardır.
İkincisi, sanayileştirilebilecek anot malzemeleri üzerinde henüz araştırma yapmamışlardır. Sodyum iyon piller için anot malzemelerinin incelenmesi de aynı derecede zordur. Araştırma ekibi kendinden emin olsa da, sodyum iyonları lityum iyonlarından çok daha büyük olduğu için (çapı lityum iyonlarından yaklaşık% 50 daha büyüktür), genellikle lityum iyon piller için anot malzemeleri yapmak için kullanılan grafit tarafından absorbe edilemezler. Şimdiye kadar, iyi etkili ve düşük fiyatlı (grafit gibi) hiçbir anot malzemesi araştırılmamıştır. Ve bu aynı zamanda ekibin gelecekteki araştırma yönü olacak, dedi Min ah Lee, Bu çalışma fosforun iyi bir aday malzeme olduğunu göstermektedir. , Ancak seri üretim hala zor, bu nedenle bu malzemeyi daha basit bir şekilde nasıl kullanacaklarını keşfetmeye çalışıyorlar.
Ekip çalışmasının bir sonraki adımı ile ilgili olarak Min ah Lee şunları söyledi: " Şu anda, tam pil enerji yoğunluğumuz anot (daha yüksek çalışma potansiyeli) ile sınırlıdır, bu nedenle daha iyi anotlar yapmak için çok çalışıyoruz . "
Şekil | Lityum iyon pillerden daha düşük maliyetli olan sodyum iyon pillerin, "rüzgarı terk etme" ve "ışığı terk etme" kısıtlamalarından kurtulmak için rüzgar enerjisi ve güneş enerjisi tarafından üretilen dengesiz elektriği depolamak için kullanılması bekleniyor.
Kısacası, bu büyük atılımlar gerçekleştiren ancak endüstriyel uygulamalardan hala uzak olan bir teknolojidir. Bununla birlikte, herhangi bir teknoloji en erken dönemlerde çok gelişmemiş. Malzeme bilimi alanında da bir yeniliktir.Şu anda çok popüler olan sabit disk, teknolojik atılımları gerçekleştirdiğinde ve MB düzeyinde veri depolamayı gerçekleştirdiğinde toplam ağırlığı yaklaşık 1 tondur.
Ancak günümüzün birkaç terabaytlık (1TB = 1024GB) kapasiteli, ancak yalnızca bir cep boyutundaki taşınabilir sabit disklerinin temelini oluşturan, taşınabilirlikle hiçbir ilgisi olmayan bu "dev". Hala ilkel görünen Na2C6O6 malzemesinin, gelecekteki büyük ölçekli şebeke düzeyinde güç depolama teknolojisinin öncüsü olması çok olasıdır.
