Как предотвратить короткие замыкания в литиевых батареях следующего поколения? MIT нашел новый метод

Поскольку исследователи продолжают расширять границы конструкции аккумуляторов и стремятся вместить больше мощности и энергии в заданное пространство или вес, одной из наиболее многообещающих изучаемых технологий являются литий-ионные батареи, в которых между двумя электродами используются твердые электролитные материалы вместо типичные жидкости.

Но аккумуляторы этого типа всегда страдали тенденцией к образованию разветвленного металлического выступа на одном из электродов, который в конечном итоге соединял электролит и вызывал короткое замыкание аккумулятора. Теперь исследователи из Массачусетского технологического института и других организаций нашли способ предотвратить образование дендритов, что может раскрыть потенциал этого нового типа высокоэнергетической батареи.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Natural Energy и были совместно завершены аспирантами Ричардом Паркером, профессором Цзян Хуэймином и профессором Крейгом Картером из Массачусетского технологического института, а также семью другими студентами Массачусетского технологического института Техасского университета A&M. , Университет Брауна и Университет Карнеги-Меллона.

Цзян объяснил, что твердотельные батареи — это технология, которую давно искали по двум причинам: безопасность и плотность энергии. Однако, по его словам, «единственный способ достичь такой интересной плотности энергии — использовать металлические электроды». Он сказал, что, хотя металлические электроды все еще можно комбинировать с жидкими электролитами для достижения хорошей плотности энергии, это не дает таких же преимуществ в безопасности, как твердые электролиты.

Он сказал, что твердотельные батареи имеют смысл только с металлическими электродами, но попыткам разработать такие батареи препятствует дендритный рост, который в конечном итоге соединяет зазор между двумя электродными пластинами, вызывая короткое замыкание, ослабляя или деактивируя элементы в аккумулятор.

Мы уже знаем, что при высоком токе дендриты формируются быстрее, что обычно требуется для быстрой зарядки. На данный момент плотность тока, полученная в экспериментальных твердотельных батареях, намного ниже, чем плотность тока, необходимая для реальных коммерческих аккумуляторных батарей. Но Цзян сказал, что эту перспективу стоит развивать, поскольку экспериментальная версия этой батареи может хранить в два раза больше энергии, чем традиционные литий-ионные батареи.

Команда решила проблему дендритов, придя к компромиссу между твердым и жидким состояниями. Они сделали полутвердый электрод, контактирующий с твердым электролитным материалом. Полутвердый электрод обеспечивает самовосстанавливающуюся поверхность на границе раздела, а не хрупкую твердую поверхность, которая может привести к образованию небольших трещин и стать начальной затравкой для образования дендритов.

Эта идея была вдохновлена ​​экспериментальными высокотемпературными батареями, в которых один или оба электрода состоят из расплавленного металла. По словам первого автора статьи Парка, невозможно использовать батарею из расплавленного металла с температурой в несколько сотен градусов для портативных устройств, но эта работа действительно демонстрирует, что жидкостные интерфейсы могут достигать высокой плотности тока без образования дендритов. Пак сказал: «Нашей мотивацией является разработка электродов на основе тщательно отобранных сплавов с добавлением жидкой фазы, которая может служить самовосстанавливающимся элементом для металлических электродов».

Он объяснил, что этот материал имеет более высокую твердость, чем жидкость, но похож на амальгаму, используемую стоматологами для заполнения полостей, но все же может течь и формировать формы. При нормальной рабочей температуре аккумуляторная батарея находится в состоянии, в котором одновременно существуют как твердая, так и жидкая фазы. В этом случае твердая фаза состоит из смеси натрия и калия. Цзян сказал, что исследовательская группа доказала, что можно эксплуатировать систему при токе, в 20 раз превышающем ток при использовании твердого лития, без образования каких-либо дендритов. Следующим шагом будет воспроизведение этого эффекта с использованием настоящего литиевого электрода.

Во второй версии твердотельной батареи команда ввела очень тонкий слой жидкого сплава натрия и калия между твердотельным литиевым электродом и твердотельным электролитом. Они указывают, что этот метод также может решить дендритные проблемы, предоставляя еще один подход для дальнейших исследований.

Цзян сказал, что этот новый метод можно легко применить ко многим различным версиям твердотельных литиевых батарей, и исследователи по всему миру в настоящее время изучают этот тип батареи. Он сказал, что следующим шагом команды будет демонстрация применимости системы в различных архитектурах аккумуляторов. Соавтор Вишванатан, профессор машиностроения в Университете Карнеги-Меллон, сказал: «Мы считаем, что можем превратить этот метод в любую твердотельную литий-ионную батарею. Мы считаем, что его можно немедленно применить при разработке аккумуляторов, широко используемых в портативных устройствах. , электромобили и электрические поля».