Ученые из Южной Кореи совершили прорыв в исследованиях аккумуляторов, которые могут помочь нам преодолеть ключевое узкое место в хранении энергии. Прогресс команды преодолевает техническую проблему, которая сдерживает очень многообещающую архитектуру литий-металлических батарей и может проложить путь для батарей, емкость которых в 10 раз превышает емкость сегодняшних устройств.
Причина, по которой литий-металлические батареи так многообещающи, заключается в превосходной плотности энергии чистого металлического лития. Ученые надеются заменить графит, используемый для анода в современных литиевых батареях, на этот «материал мечты», хотя это связано с некоторыми сложными проблемами, которые необходимо решить.
Одна из ключевых проблем связана с игольчатыми структурами, называемыми дендритами, которые образуются на поверхности анода при зарядке аккумулятора. Они проникают через барьер между анодом и другим электродом батареи, катодом, и быстро вызывают короткое замыкание, выход из строя или даже возгорание батареи.
Поэтому многие исследования в этой области сосредоточены на предотвращении образования дендритов, и мы видим несколько многообещающих и творческих решений. Многие из них сосредоточены на формировании защитной границы раздела между анодом и электролитом батареи, который переносит заряд туда и обратно между электродами во время цикла. «Масло для аккумуляторов», специальные добавки или даже аккумуляторы, которые создают свои собственные защитные слои - вот несколько ярких примеров.
«Образование дендритов лития во многом зависит от характера поверхности литиевых анодов», - говорит автор исследования профессор Йонг Мин Ли из Южнокорейского института науки и технологий Тэгу Кёнбук (DGIST). «Поэтому важнейшей стратегией для литий-металлических батарей (lithium-metal batteries, LMBs) следовательно является создание эффективной границы раздела твердого электролита на поверхности лития».
Ли и его коллеги подошли к этой проблеме, используя порошок металлического лития в качестве отправной точки, который создает большую площадь поверхности и позволяет создавать тонкие и широкие электроды. Однако одним из недостатков этого метода является неровность поверхности, которая снова приводит к выходу батареи из строя.
Решение, как выяснили ученые DGIST, может заключаться в добавлении нитрата лития LiNO3. Предварительная добавка соединения во время процесса изготовления позволила команде создать ультратонкие литий-металлические аноды с гладким и однородным граничным слоем на поверхности. Подтверждено, что батарея стабильна в течение 450 циклов зарядки, в которых она сохранила 87 процентов своей емкости и показала кулоновскую эффективность 96 процентов.
«Мы ожидаем, что предварительная заделка добавок, стабилизирующих литий, в электрод из порошка металлического лития станет ступенькой к коммерциализации массового производства литий-металлических (Li-metal), литий-серных (Li-S) и литий-воздушных (Li-air) батарей с высокой удельной энергией и длительным сроком службы», говорит Ли.
Исследование было опубликовано в журнале Advanced Energy Materials.
Источник: New Atlas / DGIST via TechXplore