Независимо от съображения за производителност, цена или безопасност, изцяло твърдотелните акумулаторни батерии са най-добрият избор за замяна на енергията от изкопаеми горива и евентуално реализиране на пътя към нови енергийни превозни средства.
Като изобретател на катодни материали като LiCoO2, LiMn2O4 и LiFePO4, Goodenough е добре известен в областта налитиево-йонни батериии наистина е "бащата на литиево-йонните батерии".
В скорошна статия в NatureElectronics Джон Б. Гуденаф, който е на 96 години, прави преглед на историята на изобретението на акумулаторната литиево-йонна батерия и показва пътя напред.
През 70-те години на миналия век в САЩ избухна петролна криза.Осъзнавайки своята свръхзависимост от вноса на петрол, правителството започна сериозни усилия за развитие на слънчевата и вятърната енергия.Поради непостоянния характер на слънчевата и вятърната енергия,презареждащи се батериив крайна сметка бяха необходими за съхраняване на тези възобновяеми и чисти енергийни източници.
Ключът към обратимото зареждане и разреждане е обратимостта на химическата реакция!
По това време повечето от неакумулаторните батерии използват литиеви отрицателни електроди и органични електролити.За да се постигнат акумулаторни батерии, всички започнаха да работят върху обратимо вграждане на литиеви йони в слоести сулфидни катоди от преходен метал.Стенли Уитингам от ExxonMobil откри, че обратимо зареждане и разреждане може да бъде постигнато чрез интеркалационна химия, като се използва слоест TiS2 като катоден материал, като продуктът на разреждане е LiTiS2.
Тази клетка, разработена от Whittingham през 1976 г., постигна добра първоначална ефективност.Въпреки това, след няколко повторения на зареждане и разреждане, литиеви дендрити се образуват вътре в клетката, които нарастват от отрицателния към положителния електрод, създавайки късо съединение, което може да запали електролита.Този опит отново завърши с провал!
Междувременно Goodenough, който се премести в Оксфорд, проучваше колко много литий може да бъде отделено от слоестите LiCoO2 и LiNiO2 катодни материали, преди структурата да се промени.В крайна сметка те постигнаха обратимо отделяне на повече от половината литий от катодния материал.
Това изследване в крайна сметка насочи Акира Йошино от AsahiKasei да подготви първотопрезареждаема литиево-йонна батерия: LiCoO2 като положителен електрод и графитен въглерод като отрицателен електрод.Тази батерия се използва успешно в най-ранните мобилни телефони на Sony.
За да се намалят разходите и да се подобри безопасността.Изцяло твърдата акумулаторна батерия с твърдо вещество като електролит изглежда е важна посока за бъдещо развитие.
Още през 60-те години на миналия век европейските химици работят върху обратимото вграждане на литиеви йони в слоести сулфидни материали от преходен метал.По това време стандартните електролити за акумулаторни батерии бяха предимно силни киселинни и алкални водни електролити като H2SO4 или KOH.Защото в тези водни електролити Н+ има добра дифузивност.
По това време най-стабилните акумулаторни батерии бяха направени със слоест NiOOH като катоден материал и силен алкален воден електролит като електролит.h+ може да бъде обратимо вграден в слоестия NiOOH катод, за да образува Ni(OH)2.проблемът беше, че водният електролит ограничава напрежението на батерията, което води до ниска енергийна плътност.
През 1967 г. Джоузеф Кумер и Нийл Вебер от Ford Motor Company откриват, че Na+ има добри дифузионни свойства в керамични електролити над 300°C.След това изобретиха Na-S акумулаторна батерия: разтопен натрий като отрицателен електрод и разтопена сяра, съдържаща въглеродни ленти като положителен електрод.В резултат на това те изобретиха Na-S акумулаторна батерия: разтопен натрий като отрицателен електрод, разтопена сяра, съдържаща въглеродна лента, като положителен електрод и твърда керамика като електролит.Въпреки това работната температура от 300°C обрича тази батерия на невъзможност за комерсиализация.
През 1986 г. Goodenough реализира изцяло твърдотелна акумулаторна литиева батерия без генериране на дендрити, използвайки NASICON.Понастоящем изцяло твърдотелни акумулаторни литиеви и натриеви батерии, базирани на твърди електролити като NASICON, са комерсиализирани.
През 2015 г. MariaHelena Braga от университета в Порто също демонстрира изолационен порест оксиден твърд електролит с проводимост на литиеви и натриеви йони, сравнима с органичните електролити, използвани в момента в литиево-йонните батерии.
Накратко, независимо от съображенията за производителност, цена или безопасност, изцяло твърдотелните акумулаторни батерии са най-добрият избор за замяна на енергията от изкопаеми горива и евентуално реализиране на пътя към нови енергийни превозни средства!
Време на публикуване: 25 август 2022 г