Niezależnie od wydajności, kosztów i względów bezpieczeństwa, akumulatory półprzewodnikowe są najlepszym wyborem, jeśli chodzi o zastąpienie energii kopalnej i ostatecznie utorowanie drogi do nowych pojazdów napędzanych energią.
Jako wynalazca materiałów katodowych, takich jak LiCoO2, LiMn2O4 i LiFePO4, Goodenough jest dobrze znany w dziedziniebaterie litowo-jonowei jest prawdziwym „ojcem akumulatorów litowo-jonowych”.
W niedawnym artykule w NatureElectronics 96-letni John B. Goodenough dokonuje przeglądu historii wynalezienia akumulatora litowo-jonowego i wskazuje przyszłość.
W latach 70. w Stanach Zjednoczonych wybuchł kryzys naftowy.Zdając sobie sprawę ze swojej nadmiernej zależności od importu ropy naftowej, rząd rozpoczął poważne wysiłki na rzecz rozwoju energii słonecznej i wiatrowej.Ze względu na nieciągły charakter energii słonecznej i wiatrowej,akumulatoryostatecznie były potrzebne do przechowywania tych odnawialnych i czystych źródeł energii.
Kluczem do odwracalnego ładowania i rozładowywania jest odwracalność reakcji chemicznej!
W tamtym czasie większość akumulatorów jednorazowych wykorzystywała litowe elektrody ujemne i elektrolity organiczne.Aby wyprodukować akumulatory, wszyscy zaczęli pracować nad odwracalnym osadzaniem jonów litu w warstwowych katodach siarczkowych metali przejściowych.Stanley Whittingham z ExxonMobil odkrył, że odwracalne ładowanie i rozładowywanie można osiągnąć poprzez chemię interkalacji przy użyciu warstwowego TiS2 jako materiału katody, a produktem wyładowania jest LiTiS2.
Ogniwo to, opracowane przez Whittinghama w 1976 roku, osiągnęło dobrą wydajność początkową.Jednak po kilku powtórzeniach ładowania i rozładowywania wewnątrz ogniwa utworzyły się dendryty litu, które rozrosły się od elektrody ujemnej do dodatniej, tworząc zwarcie, które mogło spowodować zapalenie elektrolitu.Ta próba po raz kolejny zakończyła się niepowodzeniem!
W międzyczasie Goodenough, który przeprowadził się do Oksfordu, badał, ile litu można co najwyżej wydobyć z warstwowych materiałów katod LiCoO2 i LiNiO2 przed zmianą struktury.Ostatecznie udało im się odwrócić odwracalne usunięcie ponad połowy litu z materiału katody.
Badania te ostatecznie poprowadziły Akirę Yoshino z AsahiKasei do przygotowania pierwszegoakumulator litowo-jonowy: LiCoO2 jako elektroda dodatnia i węgiel grafitowy jako elektroda ujemna.Bateria ta była z powodzeniem stosowana w pierwszych telefonach komórkowych Sony.
W celu obniżenia kosztów i poprawy bezpieczeństwa.Całkowicie stały akumulator z elektrolitem stałym wydaje się być ważnym kierunkiem przyszłego rozwoju.
Już w latach sześćdziesiątych europejscy chemicy pracowali nad odwracalnym osadzaniem jonów litu w warstwowych materiałach siarczków metali przejściowych.W tamtym czasie standardowymi elektrolitami do akumulatorów były głównie mocne kwasowe i zasadowe elektrolity wodne, takie jak H2SO4 lub KOH.Ponieważ w tych wodnych elektrolitach H+ ma dobrą dyfuzyjność.
W tamtym czasie najbardziej stabilne akumulatory wytwarzano z warstwowego NiOOH jako materiału katody i silnie zasadowego wodnego elektrolitu jako elektrolitu.h+ można odwracalnie osadzić w warstwowej katodzie NiOOH, tworząc Ni(OH)2.problem polegał na tym, że wodny elektrolit ograniczał napięcie akumulatora, co skutkowało niską gęstością energii.
W 1967 roku Joseph Kummer i NeillWeber z Ford Motor Company odkryli, że Na+ ma dobre właściwości dyfuzyjne w elektrolitach ceramicznych w temperaturze powyżej 300°C.Następnie wynaleźli akumulator Na-S: stopiony sód jako elektrodę ujemną i stopioną siarkę zawierającą pasma węgla jako elektrodę dodatnią.W rezultacie wynaleźli akumulator Na-S: stopiony sód jako elektrodę ujemną, stopioną siarkę zawierającą pasmo węgla jako elektrodę dodatnią i stałą ceramikę jako elektrolit.Jednak temperatura pracy wynosząca 300°C skazała ten akumulator na niemożność komercjalizacji.
W 1986 roku firma Goodenough opracowała całkowicie półprzewodnikowy akumulator litowy bez wytwarzania dendrytów przy użyciu NASICON.Obecnie na rynek trafiły całkowicie półprzewodnikowe akumulatory litowo-sodowe oparte na elektrolitach półprzewodnikowych, takie jak NASICON.
W 2015 roku MariaHelena Braga z Uniwersytetu w Porto zademonstrowała również izolujący stały elektrolit z porowatego tlenku, którego przewodność jonów litu i sodu jest porównywalna z elektrolitami organicznymi stosowanymi obecnie w akumulatorach litowo-jonowych.
Krótko mówiąc, niezależnie od wydajności, kosztów i względów bezpieczeństwa, akumulatory półprzewodnikowe są najlepszym wyborem, aby zastąpić energię kopalną i ostatecznie utorować drogę do nowych pojazdów energetycznych!
Czas publikacji: 25 sierpnia 2022 r