Новости

Nov 30, 2023

Использование сгорания для изготовления более качественных батарей

Предыдущее изображение Следующее изображение

Предыдущее изображение Следующее изображение

Уже более столетия большая часть мира живет за счет сжигания ископаемого топлива. Теперь, чтобы предотвратить угрозу изменения климата, энергетическая система меняется. Примечательно, что солнечные и ветровые системы заменяют сжигание ископаемого топлива для производства электроэнергии и тепла, а батареи заменяют двигатель внутреннего сгорания для питания транспортных средств. По мере продвижения энергетического перехода исследователи во всем мире решают множество возникающих проблем.

Сили Денг посвятила свою карьеру размышлениям о горении. В настоящее время Дэн является доцентом кафедры машиностроения Массачусетского технологического института и профессором карьерного роста 1954 года. Дэн возглавляет группу, которая, среди прочего, разрабатывает теоретические модели, помогающие понять и контролировать системы сгорания, чтобы сделать их более эффективными и контролировать образование. выбросов, включая частицы сажи.

«Итак, мы подумали, учитывая наш опыт в области горения, как мы можем наилучшим образом внести свой вклад в энергетический переход?» — говорит Дэн. Рассматривая возможности, она отмечает, что горение относится только к процессу, а не к тому, что горит. «Хотя мы обычно думаем об ископаемом топливе, когда думаем о сжигании, термин «горение» охватывает множество высокотемпературных химических реакций, в которых участвует кислород и обычно выделяется свет и большое количество тепла», — говорит она.

Учитывая это определение, она увидела еще одну роль опыта, накопленного ею и ее командой: они могли бы изучить использование горения для производства материалов для энергетического перехода. В тщательно контролируемых условиях пламя горения может быть использовано для получения не загрязняющей окружающую среду сажи, а весьма ценных материалов, в том числе тех, которые имеют решающее значение при производстве литий-ионных аккумуляторов.

Улучшение литий-ионной батареи за счет снижения затрат

Прогнозируется, что в ближайшие десятилетия спрос на литий-ионные батареи резко возрастет. Батареи потребуются для питания растущего парка электромобилей и для хранения электроэнергии, вырабатываемой солнечными и ветровыми системами, чтобы ее можно было доставлять позже, когда эти источники не генерируют энергию. Некоторые эксперты прогнозируют, что мировой спрос на литий-ионные батареи может увеличиться в десять и более раз в ближайшее десятилетие.

Учитывая такие прогнозы, многие исследователи ищут способы улучшить технологию литий-ионных аккумуляторов. Дэн и ее группа не являются учеными-материаловедами, поэтому они не занимаются созданием новых и более совершенных химических элементов для батарей. Вместо этого их цель — найти способ снизить высокую стоимость производства всех этих батарей. И большая часть стоимости изготовления литий-ионной батареи связана с производством материалов, используемых для изготовления одного из двух ее электродов — катода.

Исследователи Массачусетского технологического института начали поиск способов экономии средств с рассмотрения методов, используемых сейчас для производства катодных материалов. Сырьем обычно являются соли нескольких металлов, в том числе лития, который образует ионы — электрически заряженные частицы, которые движутся, когда аккумулятор заряжается и разряжается. Технология обработки направлена ​​на производство крошечных частиц, каждая из которых состоит из смеси этих ингредиентов, атомы которых расположены в определенной кристаллической структуре, которая обеспечит наилучшие характеристики готовой батареи.

В течение последних нескольких десятилетий компании производили эти катодные материалы, используя двухэтапный процесс, называемый соосаждением. На первом этапе соли металлов, за исключением лития, растворяются в воде и тщательно перемешиваются внутри химического реактора. Химические вещества добавляются для изменения кислотности (рН) смеси, а частицы, состоящие из объединенных солей, выпадают в осадок из раствора. Затем частицы удаляют, сушат, измельчают и пропускают через сито.

Изменение pH не приведет к выпадению в осадок лития, поэтому его добавляют на втором этапе. Твердый литий измельчается вместе с частицами первой стадии до тех пор, пока атомы лития не проникнут в частицы. Полученный материал затем нагревают или «отжигают», чтобы обеспечить полное смешивание и достижение заданной кристаллической структуры. Наконец, частицы проходят через «деагломератор», который отделяет все соединившиеся вместе частицы, и появляется материал катода.