Глава 238. Ключ к решению проблемы литиевых дендритов •
Возможность решить проблему литиевых дендритов в литиевых батареях доказывает, что этот ход мыслей и теория совершенно верны.
Но искусственная SEI-пленка, созданная исследователем Юй Чжэнем, не достигла желаемого эффекта, что вызвало у Сюй Чуаня любопытство и глубокие размышления.
По его предположениям, такой проблемы возникнуть не должно.
Проблема литиевых дендритов сама по себе является частью проблемы осаждения лития, и если проблема литиевых дендритов может быть решена, то и проблема осаждения лития должна быть решена, или, по крайней мере, частично решена.
Однако результаты испытаний, которые он держал в руках, говорили ему, что проблема осаждения лития не только не решена, но и усугубилась.
Это озадачило Сюй Чуаня.
Внимательно изучая результаты испытаний в своих руках, Сюй Чуань тщательно их просматривал.
Судя по контрольным экспериментам, литий-ионные батареи, в которых применяется эта новая искусственная SEI-пленка, имеют более высокую эффективность осаждения лития на отрицательном электроде по сравнению с оригинальными литий-ионными батареями.
Если кулоновская эффективность исходных литий-ионных батарей находится в диапазоне 99,94%~99,96%, то у литиевых батарей с новой искусственной SEI-пленкой кулоновская эффективность снижается примерно до 99,91%~99,2%.
Несмотря на то, что разница составляет всего около 0,03-0,04%, на самом деле это оказывает огромное влияние на количество циклов зарядки.
"Интересно, что же вызвало эту проблему?"
Глядя на данные таблицы контрольного эксперимента, Сюй Чуань почесал подбородок, размышляя.
В прошлой жизни он не слышал об этой проблеме, и этот новый тип искусственной SEI-пленки широко применялся в различных сферах общества.
Это говорит о том, что проблема уже решена.
Он очень верил в свою память, и даже после перерождения и спустя столько лет он не мог ошибиться в таких важных вещах.
"Дело в ошибке в этапах эксперимента или в проблеме с материалами?"
Внимательно изучая контрольные данные, Сюй Чуань исключил одно предположение за другим, оставив в итоге две наиболее вероятные идеи.
"Брат Фань, пожалуйста, подготовь для меня несколько наборов материалов для изготовления этой искусственной SEI-пленки".
Поразмыслив некоторое время и убедившись в своих мыслях, Сюй Чуань встал и распорядился, он собирался сам провести эксперимент.
В конце концов, сколько бы данных ты ни смотрел, ничто не сравнится с глубоким пониманием, которое приходит, когда ты сам все делаешь.
У него было предчувствие, что эта проблема, возможно, не очень сложна, но если не найти ключевой узел, то никакие эксперименты не помогут.
SEI-пленка - это пассивирующий слой, образующийся на поверхности электродного материала в результате реакции электродного материала с электролитом на границе раздела твердой и жидкой фаз в процессе первой зарядки и разрядки жидкостного литий-ионного аккумулятора.
Этот пассивирующий слой представляет собой межфазный слой, обладающий характеристиками твердого электролита, является изолятором электронов, но хорошим проводником Li+.
Ионы Li+ из электролита могут свободно внедряться и выходить через этот пассивирующий слой, поэтому этот пассивирующий слой называется "твердой электролитной межфазной пленкой", по-английски solid electrolyte interface, сокращенно SEI.
Отсюда и происходит название SEI-пленки.
Но естественно образующаяся SEI-пленка нестабильна, качество самопроизвольно образующейся границы раздела низкое, трудно контролировать состояние осаждения ионов Li+, что приводит к различным проблемам, таким как короткое замыкание батареи, серьезное осаждение лития, взрыв, возгорание, самовозгорание и т.д.
Поэтому при изготовлении батарей исследователи придумали способ искусственного создания SEI-пленки, чтобы заменить естественную SEI-пленку, что помогает стабилизировать литиевый электромагнетизм, увеличить емкость батареи, улучшить циклические характеристики и срок службы электрода.
За десятилетия развития в настоящее время существует множество видов искусственных SEI-пленок, и используемые материалы различаются.
Например, монооксид кремния, метилацетат, оксид лития и так далее.
Различные материалы отрицательного электрода и различные электролиты требуют соответствующих различных искусственных SEI-пленок.
Поэтому это очень большой и очень независимый рынок.
Сюй Чуань нацелился именно на это.
Потому что это позволяет обойти патенты других стран или исследовательских институтов.
Новый тип искусственной SEI-пленки, если он сможет решить такие проблемы, как литиевые дендриты и осаждение лития, то сможет разработать уникальный собственный патент.
И никто не сможет его игнорировать.
Ведь в настоящее время емкость батарей, используемых всеми, примерно одинакова, а если емкость новой батареи удвоится, то если вы не будете ее использовать, а другие будут, то они захватят весь рынок.
В конце концов, при одинаковой цене, если время автономной работы у других может удвоиться, все знают, что выбрать.
Если только вы не сможете сами разработать такую батарею.
Но такая вероятность слишком мала, если бы это было так просто, то давно бы уже сделали.
Потратив несколько дней, Сюй Чуань собственноручно изготовил несколько искусственных SEI-пленок и применил их к новым батареям для проведения тестовых экспериментов.
Результаты испытаний были такими же, как и у SEI-пленки, изготовленной ранее исследователем Юй Чжэнем: проблема литиевых дендритов была решена, но проблемы осаждения лития и литиевых отложений остались.
Это убедило Сюй Чуаня в том, что проблема не в этапах эксперимента, а значит, остается только материал.
"Проблема в материале искусственной SEI-пленки?"
Глядя на батарею, проходящую цикл зарядки и разрядки в лаборатории, взгляд Сюй Чуаня, казалось, проникал сквозь литиевую батарею, как рентген, и видел тонкую пленку отрицательного электрода, которая непрерывно переносила ионы лития.
"Нет, с этой искусственной SEI-пленкой все в порядке, я разбирал и исследовал литий-ионные батареи на рынке, у этого зрелого коммерческого продукта не может быть дефектов".
"Если это так, то причина, по которой ионы лития вызывают осаждение лития, литиевые отложения и другие проблемы, может быть в электролите".
"Возможно, проблема в электролите, возможно, это вызвано несоответствием электролита и искусственной SEI-пленки".
В его голове непрерывно анализировалась одна за другой порции информации, и, используя свой взгляд на двадцать лет вперед, Сюй Чуань быстро устранял проблемы.
Вариант с проблемой в материале искусственной SEI-пленки он сразу исключил.
В этом и было его преимущество.
Если бы это был другой исследовательский институт или лаборатория, они бы определенно продолжали фокусироваться на искусственной SEI-пленке, считая ее несовершенной, и изо всех сил пытались бы ее улучшить. Тем самым тратя много времени и сил.
Но Сюй Чуань был другим, он стоял на плечах гигантов и смотрел в будущее, и благодаря своему опыту провидца он мог сразу исключить те места, где были проблемы.
Другие лаборатории или исследовательские институты, даже если бы и подозревали, что проблема может быть в электролите, не смогли бы быть так уверены, как он.
Убедившись, что проблема не в искусственной SEI-пленке, он быстро нашел электролит, используемый в этой новой батарее.
Электролит литий-ионного аккумулятора обычно состоит из высокочистых органических растворителей, литиевой соли электролита, необходимых добавок и другого сырья, смешанных в определенных условиях и в определенной пропорции.
Электролит, используемый в Исследовательском институте материалов Чуаньхай, является очень распространенным на рынке типом.
В основном он состоит из циклических карбонатов, этиленкарбоната, ди(фтор)оксалатобората лития и других материалов, а также некоторых других добавок.
Среди них циклический карбонат является органическим растворителем с отличными характеристиками, который может растворять различные полимеры и является одним из наиболее распространенных органических растворителей в литиевых батареях.
Этиленкарбонат является незаменимой добавкой, добавление его в электролит может значительно улучшить характеристики батареи.
Сюй Чуань не обращал внимания на другие редкие добавки и сразу же сосредоточил свое внимание на этих трех основных материалах.
Масштабная и аномальная реакция осаждения лития и научная интуиция подсказывали ему, что проблема, скорее всего, в одном из этих трех материалов.
Поразмыслив некоторое время, Сюй Чуань сосредоточил свое внимание на этиленкарбонате и ди(фтор)оксалатоборате лития.
Эти два материала более подвержены проблемам по сравнению с циклическим карбонатом.
Циклический карбонат обладает очень стабильными характеристиками и является органическим растворителем, используемым во многих литий-ионных батареях, представленных на рынке в настоящее время. Если с ним возникнут проблемы, то кулоновская эффективность литиевых батарей практически не сможет подняться выше 99,95%.
Но у большинства батарей, представленных на рынке в настоящее время, кулоновская эффективность в основном выше 99,95%, поэтому его можно исключить в первую очередь.
Что касается этиленкарбоната и ди(фтор)оксалатобората лития, Сюй Чуань, поразмыслив, остановил свой окончательный выбор на электролите ди(фтор)оксалатоборате лития.
Причина та же: этиленкарбонат также является распространенной добавкой в электролитах, он присутствует практически в каждом типе литий-ионных батарей и обладает довольно широкой адаптивностью.
А вот ди(фтор)оксалатоборат лития отличается, хотя многие литий-ионные батареи на рынке используют эту литиевую соль электролита, но у нее есть свои недостатки.
Например, такие проблемы, как плохая растворимость и относительно низкая ионная проводимость.
И, что более важно, он образует стабильную пассивирующую пленку с материалом отрицательного электрода литий-ионной батареи, обычно с алюминиевым токосъемником.
Хотя он может защитить алюминиевый токосъемник отрицательного электрода от коррозии электролитом, он также в определенной степени препятствует прохождению ионов лития.
Несомненно, он является самым подозрительным из трех материалов.
Определив цель, Сюй Чуань не стал тратить время и сразу же приступил к экспериментам.
Он не стал поручать эту работу другим сотрудникам института, а занялся ею сам.
Метод тестирования очень прост: раз уж есть подозрения, что с ди(фтор)оксалатоборатом лития есть проблемы, то нужно просто заменить литиевую соль электролита.
Есть много продуктов, которые могут его заменить, будь то перхлорат лития, тетрафтороборат лития, гексафтороарсенат лития и другие материалы из обычных неорганических литиевых солей электролита; или ди(оксалато)борат лития, ди(фторсульфонил)имид лития и другие материалы из органических литиевых солей электролита.
Изготовление нескольких простых лабораторных батарей не займет много времени.
Менее чем за шесть часов Сюй Чуань завершил весь эксперимент, не только заменив материал литиевой соли электролита, но и завершив предварительное тестирование новой батареи.
Однако результаты заставили Сюй Чуаня нахмуриться.
После замены материала литиевой соли электролита проблема осаждения лития и литиевых отложений так и не была решена.
"Проблема не в литиевой соли?"
Глядя на предварительные результаты испытаний, Сюй Чуань был несколько удивлен.
Согласно его анализу, вероятность проблемы с литиевой солью составляла более восьмидесяти процентов, но результаты эксперимента показали, что проблема не в литиевой соли.
Если не литиевая соль, то где проблема?
Органический растворитель? Или, может быть, добавки?
Проверять каждую по отдельности очень хлопотно, в электролите немало добавок, и при изменении каждого материала необходимо учитывать его совместимость с другими материалами.
Для Исследовательского института материалов Чуаньхай, лаборатории, которая раньше практически не имела опыта разработки аккумуляторов, не было никаких данных о прошлом опыте, на которые можно было бы опереться, можно сказать, что все нужно было начинать с нуля.
Подумав, Сюй Чуань перераспределил работу, которую держал в руках.
Последующее тестирование литиевой соли электролита он поручил другим сотрудникам лаборатории.
В конце концов, один или два эксперимента все еще могут что-то упустить, и только многократные повторные эксперименты могут определить, есть ли проблема с литиевой солью электролита.
Что касается его самого, то он начал исследование этиленкарбоната, этой распространенной добавки.
Хотя проблема не была найдена в литиевой соли электролита, Сюй Чуань по-прежнему был уверен, что ключ к проблеме осаждения лития и литиевых отложений лежит в электролите. И обязательно в одном из трех основных материалов.
В отношении исследования этиленкарбоната, как и в случае с литиевой солью электролита, он решительно и четко выбрал прямую замену материала.
Простое выявление проблемы, определение того, есть ли проблема с соответствующим материалом, без учета совместимости и тому подобного, - это самый быстрый и эффективный способ.
Хотя разработка материалов - это дело случая, опыт и математический анализ могут помочь разработчикам сделать относительно правильный выбор, значительно сократив время разработки и необходимые затраты.
Заменив этиленкарбонат на другой, схожий по действию, "бромэтиленкарбонат", Сюй Чуань повторно протестировал батарею.
Результаты теста, на который он не возлагал больших надежд, сильно его удивили.
После замены этиленкарбоната скорость осаждения лития и литиевых отложений в литий-ионной батарее значительно улучшилась.
При использовании этиленкарбоната в качестве добавки для повышения производительности батареи кулоновская эффективность новой батареи составляла всего около 99,93%.
А после замены на бромэтиленкарбонат кулоновская эффективность новой батареи выросла примерно до 99,98%.
Увеличение на 0,05 процентных пункта достаточно, чтобы увеличить количество циклов зарядки-разрядки на триста-четыреста раз.
Но есть и недостатки: после замены этиленкарбоната производительность литиевой батареи значительно снизилась.
Например, скорость зарядки снизилась почти на восемнадцать процентов, а активационные характеристики электролита также значительно снизились.
Но по сравнению с решением проблемы осаждения лития, все это приемлемо.
"Проблема оказалась в этиленкарбонате? В это действительно трудно поверить."
Глядя на результаты теста, Сюй Чуань снова удивился.
Если он не ошибается, этиленкарбонат в качестве добавки используется в будущих литий-ионных батареях, литий-металлических батареях и даже в литий-серных батареях.
Потому что по сравнению с другими добавками, этиленкарбонат значительно повышает производительность литиевых батарей, и другие добавки просто не могут с ним сравниться.
Это также является причиной того, что он не особо думал, что проблема может быть в этом.
Но теперь результаты эксперимента ясно показали ему, что виновником осаждения лития и литиевых отложений является этиленкарбонат.
"Действительно трудно поверить."
Уставившись на результаты теста, Сюй Чуань снова погрузился в раздумья.
Решение проблемы осаждения лития должно было быть очень радостным событием, но у него возникли сомнения на этот счет.
Когда в будущем исследовательский институт в Соединенных Штатах решал проблему литиевых дендритов, они наверняка тоже сталкивались с этой проблемой, но все же выбрали этиленкарбонат в качестве добавки.
Почему?
Этиленкарбонат в качестве добавки действительно может улучшить характеристики литиевых батарей, но если он является виновником проблемы литиевых дендритов, то его в любом случае следовало бы заменить.
Почему тот исследовательский институт этого не сделал?
Сюй Чуань никак не мог понять этот вопрос.