Литий-ионные аккумуляторы признаны за их высокую плотность энергии во всем, от мобильных телефонов до портативных компьютеров и электромобилей, но поскольку потребность в сетевом накопителе энергии и других приложениях становится все более насущной, исследователи ищут менее дорогие и более легкодоступные альтернативы литию.
Батареи, использующие более обильные многовалентные металлы, могут революционизировать накопление энергии. Исследователи рассматривают текущее состояние исследований многовалентных металл-ионных аккумуляторов и предлагают дорожную карту для будущей работы в области природной энергетики, сообщая, что лучшие кандидаты - использование магния, кальция, цинка и алюминия - все они имеют большие перспективы, но также и серьезные проблемы для удовлетворения практических требований.
"В этом обзоре мы проясняем ключевые сильные стороны, а также распространенные заблуждения о многовалентных металлических батареях", - сказал Ян Яо, адъюнкт-профессор инженерного колледжа Каллена по электротехнике и вычислительной технике в Университете Хьюстона и соавтор статьи.
"Многовалентные металло-ионные батареи лучше рассматривать как альтернативные решения для крупномасштабного накопления энергии, чем как прямого конкурента литиевым батареям в гонке за постоянно растущей плотностью энергии."
Исследователи также исследовали поведение роста металлических анодов. Хотя магний является многообещающим материалом, Яо сказал, что важно отметить, что он не гарантирует универсальную пластину в морфологии без дендритов. "Это происходит только в избранных растворах электролитов, где отсутствуют побочные реакции, активная поверхность металла свободна от пассивации, а кулоновская эффективность магниевого покрытия?стриптиз близок к единству", - сказал он.
Яо также является главным исследователем Техасского центра сверхпроводимости в UH (TcSUH).
Яньлянь "Леонард" Лян, научный сотрудник кафедры электротехники и вычислительной техники UH и соавтор статьи, сказал, что обзор существующих катодных материалов также предлагает новые идеи. "Мы также обсуждаем стратегии проектирования, позволяющие создавать подлинные многовалентные материалы для хранения энергии на основе ионов металлов с конкурентоспособными характеристиками", - сказал он.
Ключевые моменты исследования включают в себя:
- Озабоченность по поводу доступности и стоимости лития вызвала интерес к альтернативным технологиям аккумуляторных батарей, использующим более богатые элементы с потенциалом для повышения плотности энергии и повышения безопасности. Основные кандидаты включают магний, кальций, цинк и алюминий, все из которых известны как многовалентные металлы, или металлы с несколькими валентными электронами, чтобы дать
- Эти многовалентные металло-ионные аккумуляторы имеют много общего в принципах работы с литий-ионными батареями, что позволяет предположить, что они могут быть быстро приняты промышленностью
- Предыдущие оценки предполагаемой плотности энергии этих батарей часто рассматривали только многовалентный металлический анод-всего лишь один из двух электродов в батарее, - что приводит к ошибочным выводам. Исследователи провели переоценку плотности энергии, основанной как на аноде, так и на катоде, стремясь лучше расположить эти батареи в ландшафте накопления энергии
- Прямое использование металлов в качестве анодов является важным аспектом для обещаний безопасности и плотности энергии этих батарей, но существуют неопределенности, связанные с жизнеспособностью этих анодов
Электролитные растворы и понимание связанных с ними межфазных явлений улучшаются, но все еще далеки от установления - А поиск хороших катодных материалов требует соображений, которые редко встречаются в традиционных исследованиях батарей. Механизм накопления ионов в катодах многовалентных аккумуляторов значительно сложнее, чем в их литий-ионных аналогах.
В результате в литературе на удивление широко распространено неверное толкование катодной химии
Исследователи также выпустили список рекомендаций для обеспечения того, чтобы будущие исследования были прямо направлены на улучшение батарей, в том числе:
- Получение лучшего понимания поведения роста металлических анодов, критического шага в реализации предполагаемых обещаний безопасности по сравнению с литий-ионными батареями
- Практика правильной оценки совместимости металлических анодов с растворами электролитов и эффективности защитных покрытий
- Процедуры и методы для правильной интерпретации механизма накопления ионов на катоде
- Подходы к проектированию лучших катодных материалов
Таблица сравнения современных компонентов - металлических анодных, электролитных и катодных материалов - для батарей на основе каждого из многовалентных металлических элементов, которые потенциально могут заменить литий, показала, что, хотя некоторые из них продвинулись дальше, чем другие, ни один из вариантов не готов к коммерциализации.
Исследовательская группа Яо сосредоточилась на химии материалов и проектировании магниевых и других многовалентных металлических батарей; он широко публиковался в ведущих журналах.
