В литий-металлической батарее графит, используемый в качестве анода, одного из двух электродов литиевой батареи, можно заменить на чистый металлический литий. Этот материал обеспечивает очень высокую плотность энергии и может позволить батареям заряжаться намного быстрее и обеспечивать в 10 раз большую емкость, но до сих пор оказалось сложно заставить их работать надежно в течение длительного времени.
Батареи из металлического лития удалось сделать стабильными и долговечными
Из множества различных конструкций, изучаемых учеными в поисках лучших батарей, литий-металлическая архитектура обладает одним из наибольших потенциалов. Однако одной из проблем, сдерживающих эту технологию, является образование щупальцеобразных наростов, называемых дендритами, которые быстро приводят к выходу из строя батареи. Но, кажется, теперь об этом можно забыть.
Tour Group/Rice University
Ученые из Университета Райса предложили многообещающее решение проблемы образования дендритов, предложив особый порошок, который можно наносить кистью на поверхности электродов, чтобы обеспечить их выживание.
Когда аккумулятор перезаряжается, на аноде начинают формироваться дендриты, что может привести к короткому замыканию, выходу из строя или возгоранию аккумулятора. Мы видели много интересных потенциальных решений этой проблемы дендритов, и ученые из Университета Райса несут ответственность за многие из них: пленки из нанотрубок, особые клейкие ленты и лазерная обработка — это лишь некоторые из недавних примеров.
Новая технология
В своей последней работе ученые под руководством химика Джеймса Тура попытались решить эту проблему с помощью новой обработки щеткой. Техника начинается с очистки анода кистью для создания текстурированной поверхности, а затем нанесения на нее порошка из фосфора и серы. Это приводит к тому, что порошок вступает в реакцию с металлическим литиевым анодом с образованием тонкой защитной пленки, которая изменяет его поверхностную энергию.
Схема обработки анода
«Это обеспечивает металлическую композитную поверхность, которая предотвращает потерю металлического лития из анода, что является распространенной проблемой в литий-металлических батареях», — пояснил Тур. — «Литий-металлические батареи намного превышают емкость традиционных литий-ионных батарей, но металлический литий часто трудно перезаряжать повторно».
Пленка имеет эффект настройки поверхности анода, что способствует более равномерному поведению во время циклов, что увеличивает долговечность батареи. Она прошла испытания в тестовых элементах в течение 340 циклов зарядки: доказано, что они сохраняют на 70% больше емкости, чем стандартные батареи. Пленка также показала хорошие результаты в отношении другого ключевого показателя деградации батареи, сохраняя сверхнизкую поляризацию в течение более 4000 часов, что примерно в восемь раз дольше, чем аноды без пленки.
«Это упростит производство аккумуляторов большой емкости и значительно улучшит их», — уверяет Тур. — «Измельчение этих порошкообразных твердых частиц в литий-металлическом аноде резко снижает образование дендритов, которые могут привести к короткому замыканию батареи, а также ускоренный расход материалов».