Исследовательская группа Университета Делавэра: сдерживание образования вредных кристаллов в литий-металлических батареях

Во многих современных технологиях, от смартфонов до электромобилей, используются литий-ионные батареи. Это означает, что потребители должны сохранять удобство зарядного устройства. Батареи iPhoneX хватает всего на 21 час в режиме разговора, в то время как у модели Tesla S запас хода составляет 335 миль - это означает, что вы можете добраться из Ньюарка, Делавэр, в Провиденс, Род-Айленд-Сити, но не до Бостона с одной зарядкой.

Ученые всего мира - даже Джон Гуденаф, изобретатель литий-ионных батарей - ищут способы сделать перезаряжаемые батареи более безопасными, легкими и мощными.

В настоящее время международная исследовательская группа во главе с Бингкингом Вэем, профессором машиностроения в Университете Делавэра, директором Центра топливных элементов и аккумуляторов, работает над тем, чтобы заложить основу для более широкого использования литий-металлических батарей. Это будет больше, чем у литий-ионных аккумуляторов, обычно используемых в бытовой электронике, большей емкости. Команда разработала метод уменьшения образования дендритов в литий-металлических батареях, который они описали в статье, опубликованной в NanoLetters.

Обещание (и ловушка) литий-металлической батареи

В литий-ионной батарее анод или сторона, генерирующая ток, изготовлены из такого материала, как графит, с которым связаны ионы лития. Ионы лития текут на катод или коллектор.

В литий-металлической батарее анод сделан из металлического лития. Электроны текут от анода к катоду для выработки электричества. Перезаряжаемые батареи из металлического лития многообещающи, потому что литий является наиболее электропроводящим металлом и имеет очень большую емкость.

«Теоретически металлический литий - один из лучших вариантов для батарей, но на практике с ним трудно иметь дело», - сказал Вэй.

Литий-металлические батареи до сих пор были неэффективными, нестабильными и даже опасными для возгорания. Их работе мешают дендриты лития, которые выглядят как маленькие сталагмиты, сделанные из отложений лития. При использовании батареи ионы лития собираются на аноде. Со временем отложения лития становятся неравномерными, что приводит к образованию этих дендритов, которые могут вызвать короткое замыкание в батарее.

Новое понимание

Исследовательские группы по всему миру испробовали различные методы подавления образования и роста этих дендритов. Изучив литературу, Вэй обнаружил, что почти все применяемые методы можно понять под защитным зонтом: введение слоя пористого материала в систему предотвращает накопление дендритов на аноде.

Команда использовала математическое моделирование, чтобы обнаружить, что пористые материалы ингибируют зарождение и рост дендритов. Действительно, образующиеся дендриты на 75% короче дендритов, образующихся в системах без пористой мембраны. Чтобы еще раз доказать это открытие, команда создала диафрагму из пористых нитей нитрида кремния, менее одной на миллион каждой диафрагмы. Затем они интегрировали пленку в литий-металлическую батарею в батарее и проработали 3000 часов. Дендриты не выросли.

«Это базовое понимание не может ограничиваться используемым нами нитридом кремния», - сказал Вэй. «Другие пористые структуры также могут делать это».

Что еще более важно, этот принцип может быть распространен и на другие аккумуляторные системы, такие как батареи на основе цинка или калия, сказал он.

«В области металлических батарей это последнее понимание», - сказал он. «Это работа, которая может иметь большое значение».

Страница содержит содержимое машинного перевода.