Szklana bateria
Bateria szklana jest rodzajem baterii półprzewodnikowej . Wykorzystuje szklany elektrolit i metalowe elektrody litowe lub sodowe . Akumulator został wynaleziony przez Johna B. Goodenougha , wynalazcę materiałów na elektrody z tlenku litowo-kobaltowego i fosforanu litowo-żelazowego stosowanych w akumulatorze litowo-jonowym (Li-ion), oraz Marię H. Braga , profesora nadzwyczajnego na Uniwersytecie w Porto oraz starszy pracownik naukowy w Cockrell School of Engineering na Uniwersytecie w Teksasie .
Artykuł opisujący akumulator został opublikowany w Energy & Environmental Science w grudniu 2016 r.; od czasu [ potrzebne źródło ] opublikowano także szereg dalszych prac . Hydro-Québec bada akumulator pod kątem ewentualnej produkcji.
Badania elektrolitów szklanych
We wrześniu 2016 r. Uniwersytet Stanowy Iowa otrzymał 1,6 mln USD na opracowanie nowych szklistych stałych elektrolitów przewodzących litowo-jonowe. W sierpniu 2019 roku ogłoszono, że GM otrzymał 2 miliony dolarów od Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych na badania nad „podstawowym zrozumieniem zjawisk międzyfazowych w bateriach półprzewodnikowych” oraz „tłoczeniem na gorąco wzmocnionych całkowicie stałych akumulatorów z elektrolit ze szkła siarczkowego”.
Sceptycyzm
obu elektrodach występuje czysty metaliczny lit lub sód, co nie powinno powodować różnicy w potencjał elektrochemiczny , a zatem nie dają napięcia ogniwa . Wszelka energia zmagazynowana lub uwolniona przez akumulator naruszałaby więc pierwszą zasadę termodynamiki . Wysoka reputacja Goodenough wystarczyła jednak, by powstrzymać najsilniejszą krytykę, z Danielem Steingartem Princeton University komentuje: „Gdyby ktokolwiek poza Goodenough to opublikował, byłbym, no cóż, trudno znaleźć grzeczne słowo”. Oficjalny komentarz został opublikowany przez Steingarta i Venkata Viswanathana z Carnegie Mellon University in Energy & Environmental Science .
Goodenough odpowiedział na sceptycyzm, stwierdzając: „Odpowiedź jest taka, że jeśli lit pokryty kolektorem prądu katodowego jest wystarczająco cienki, aby jego reakcja z kolektorem prądu obniżyła jego energię Fermiego do energii kolektora prądu, energia Fermiego anoda litowa jest wyższa niż w przypadku cienkiej warstwy litu na kolektorze prądu katodowego. Goodenough powiedział w późniejszym wywiadzie dla Slashdot , że lit pokryty katodą ma „grubość rzędu mikrona ”.
Odpowiedź Goodenougha wywołała dalszy sceptycyzm ze strony Daniela Steingarta, a także Matthew Lacey z Uniwersytetu w Uppsali , którzy zwracają uwagę, że ten efekt osadzania pod potencjałem jest znany tylko w przypadku bardzo cienkich warstw ( monowarstw ) materiałów. Lacey zauważa również, że oryginalna publikacja nie wspomina o ograniczeniu grubości litu platerowanego na katodzie, ale zamiast tego stwierdza coś przeciwnego: pojemność ogniwa jest „określona przez ilość metalu alkalicznego użytego jako anoda”.
Budownictwo i elektrochemia
Bateria, jak podano w oryginalnej publikacji, jest zbudowana z metalu alkalicznego ( folia litowa lub sodowa ) jako elektrody ujemnej (anody) oraz mieszaniny węgla i aktywnego składnika redoks jako elektrody dodatniej (katoda). Mieszanina katodowa jest powlekana miedzianą . Aktywnym składnikiem redoks jest siarka , ferrocen lub dwutlenek manganu . Elektrolit to wysoce przewodzące szkło utworzone z wodorotlenku litu i chlorkiem litu i domieszką baru , co pozwala na szybkie ładowanie akumulatora bez tworzenia się metalowych dendrytów .
W publikacji podano, że akumulator działa podczas rozładowywania, usuwając metal alkaliczny z anody i ponownie osadzając go na katodzie, przy czym napięcie akumulatora zależy od aktywnego składnika redoks, a pojemność akumulatora zależy od ilości anody z metalu alkalicznego . Ten mechanizm działania radykalnie różni się od mechanizmu wkładania ( interkalacji ) większości konwencjonalnych akumulatorów litowo-jonowych.
W 2018 roku większość tych samych autorów opisała nową wersję w Journal of the American Chemical Society , w której katoda jest pokryta specjalnym roztworem plastyfikatora, aby uniknąć pękania interfejsu, gdy różne materiały rozszerzają się z różną szybkością. Braga twierdzi, że nowa bateria ma dwukrotnie większą gęstość energii niż konwencjonalne baterie litowo-jonowe i może być ładowana 23 000 razy. Krytycy zwrócili uwagę na kilka niezwykłych twierdzeń w artykule, takich jak rekordowo wysoka względna stała dielektryczna ; być może wyższy niż jakikolwiek zarejestrowany materiał, a także wzrost pojemności akumulatora w ciągu wielu cykli ładowania, a nie spadek, jak to zwykle ma miejsce w przypadku wszystkich innych technologii akumulatorów. Papier nie był również jasny, czy bateria może utrzymać ładunek po odłączeniu, co wyjaśniałoby, czy jest to naprawdę nowa technologia baterii, czy po prostu kondensator. Braga odpowiedział krytykom, mówiąc: „Dane to dane, a mamy podobne dane z wielu różnych komórek, w czterech różnych instrumentach, różnych laboratoriach, schowku na rękawiczki. A na koniec dnia diody LED świecą całymi dniami z bardzo małym ilość materiału aktywnego po cyklach ponad 23 000 razy”.
Porównanie z akumulatorami litowo-jonowymi
Braga i Goodenough stwierdzili, że spodziewają się, że akumulator będzie miał wielokrotnie większą gęstość energii niż obecne akumulatory litowo-jonowe, a także zakres temperatur roboczych do -20 ° C (-4 ° F); znacznie mniej niż obecne akumulatory półprzewodnikowe. Stwierdzono również, że elektrolit ma szerokie okno elektrochemiczne . Konstrukcja baterii jest bezpieczniejsza niż baterii litowo-jonowych, ponieważ unika się stosowania łatwopalnego ciekłego elektrolitu. Bateria może być również wykonana z taniego sodu zamiast litu.
Autorzy twierdzą, że akumulator ma znacznie krótszy czas ładowania niż akumulatory litowo-jonowe — w minutach, a nie w godzinach. Autorzy stwierdzają również, że przetestowali stabilność granicy faz metal alkaliczny/elektrolit w ciągu 1200 cykli ładowania przy niskiej rezystancji ogniwa; specyfikacja akumulatorów litowo-jonowych jest zwykle mniejsza niż tysiąc.