Як запобігти коротким замиканням у наступному поколінні літієвих батарей? MIT знайшов новий метод

Оскільки дослідники продовжують долати межі дизайну акумуляторів і прагнуть вмістити більше потужності та енергії в заданий простір або вагу, однією з найбільш перспективних технологій, що вивчаються, є літій-іонні акумулятори, які використовують тверді електроліти між двома електродами замість типові рідини.

Але цей тип акумуляторів завжди страждав від тенденції утворення розгалуженого металевого виступу на одному з електродів, що зрештою з’єднує електроліт і спричиняє коротке замикання акумулятора. Тепер дослідники з Массачусетського технологічного інституту та інших країн знайшли спосіб запобігти утворенню дендритів, що може розкрити потенціал цього нового типу високоенергетичних батарей.

Результати дослідження були опубліковані в журналі Natural Energy і були спільно завершені аспірантами Річардом Паркером, професором Цзян Хуйміном і професором Крейгом Картером з Массачусетського технологічного інституту, а також сімома іншими з Массачусетського технологічного інституту Техаського університету A&M. , Університет Брауна та Університет Карнегі-Меллона.

Цзян пояснив, що твердотільні батареї — це технологія, яку шукали протягом тривалого часу з двох причин: безпеки та щільності енергії. Однак він сказав: «Єдиний спосіб досягти такої цікавої щільності енергії — використовувати металеві електроди». Він сказав, що хоча металеві електроди все ще можна поєднувати з рідкими електролітами для досягнення хорошої щільності енергії, це не забезпечує таких же переваг безпеки, як тверді електроліти.

Він сказав, що твердотільні батареї мають сенс лише на металевих електродах, але спробам розробити такі батареї заважає дендритний ріст, який зрештою з’єднує проміжок між двома пластинами електродів, викликаючи коротке замикання, послаблюючи або дезактивуючи клітини в акумулятор.

Ми вже знаємо, що коли сила струму висока, дендрити утворюються швидше, що зазвичай потрібно для швидкої зарядки. Поки що щільність струму, отримана в експериментальних твердотільних батареях, набагато нижча, ніж щільність струму, необхідна для справжніх комерційних акумуляторних батарей. Але Цзян сказав, що цю перспективу варто шукати, оскільки експериментальна версія цієї батареї може зберігати вдвічі більше енергії, ніж традиційні літій-іонні батареї.

Команда вирішила проблему дендритів, досягнувши компромісу між твердим і рідким станами. Вони зробили напівтвердий електрод у контакті з матеріалом твердого електроліту. Напівтвердий електрод забезпечує самовідновлювальну поверхню на межі розділу, а не крихку тверду поверхню, яка може призвести до невеликих тріщин і створити початкову зародку для утворення дендритів.

На цю ідею надихнули експериментальні високотемпературні батареї, де один або обидва електроди складаються з розплавленого металу. За словами першого автора статті, Пака, неможливо використовувати батарею з розплавленим металом на кілька сотень градусів для портативних пристроїв, але ця робота демонструє, що рідинні інтерфейси можуть досягати високої щільності струму без утворення дендритів. Пак сказав: «Нашою мотивацією є розробка електродів на основі ретельно відібраних сплавів для введення рідкої фази, яка може служити елементом для самовідновлення металевих електродів».

Він пояснив, що цей матеріал має міцнішу твердість, ніж рідина, але схожий на амальгаму, яку використовують стоматологи для заповнення порожнин, але все ще може текти та формувати форми. При нормальній робочій температурі батареї вона перебуватиме в стані, де одночасно існують і тверда, і рідка фази. У цьому випадку тверда фаза складається із суміші натрію та калію. Цзян сказав, що дослідницька група довела, що можна працювати з системою на струмі, який у 20 разів перевищує силу струму твердого літію, не утворюючи жодних дендритів. Наступним кроком є ​​повторення цієї продуктивності за допомогою справжнього літієвого електрода.

У другій версії твердотільного акумулятора команда ввела дуже тонкий шар рідкого натрієво-калієвого сплаву між твердотільним літієвим електродом і твердотільним електролітом. Вони вказують, що цей метод також може подолати дендритні проблеми, забезпечуючи інший підхід для подальших досліджень.

Цзян сказав, що цей новий метод можна легко застосувати до багатьох різних версій твердотільних літієвих батарей, і дослідники з усього світу зараз вивчають цей тип батарей. Він сказав, що наступним кроком для команди буде демонстрація застосовності системи в різних архітектурах акумуляторів. Співавтор Вішванатан, професор машинобудування в Університеті Карнегі-Меллона, сказав: «Ми віримо, що можемо перетворити цей метод на будь-яку твердотільну літій-іонну батарею. Ми віримо, що її можна негайно застосувати при розробці батарей, які широко використовуються в портативних пристроях. , електромобілі та електричні поля».