Аккумуляторы, которые смогут? Литий-металлические аккумуляторы становятся всё ближе к реальности

Что общего между владельцем фонарика и водителем Tesla? Li-ion аккумуляторы в качестве источников питания. Эта популярная химия имеет доступную цену и приличную удельную энергоёмкость. Вот только недостатки тоже отлично известны: пожароопасность и сравнительно небольшой ресурс.

Во множестве лабораторий пытаются улучшить характеристики Li-Ion аккумуляторов или найти им какую-то альтернативу. Сейчас в качестве последней обычно используют LiFePO4 химию, отличающуюся большим количеством циклов зарядки-разрядки. Именно эти тяговые аккумуляторы всё чаще можно встретить в тех же электровелосипедах или скутерах.

Но есть и еще одно направление, успех в котором сулит большие преимущества. Речь идёт о литий-металлических твердотельных аккумуляторах. ТОни позволяют запасать намного больше энергии нежели привычные Li-Ion и быстрее заряжаться. Проблема в том что литий-металлические твердотельные аккумуляторы еще больше чем Li-Ion склонны к образованию дендритов — жестких древовидных структур, которые ускоряют изнашивание.

И исследователи из школы инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона Гарвардского университета (SEAS) недавно разработали новую технологию создания аккумуляторов такого типа. Их детище может заряжаться и разряжаться по меньшей мере 6000 раз, больше, чем любые другие аккумуляторные батареи, и время зарядки составляет всего лишь несколько минут.

«Литий-металлические анодные аккумуляторы считаются святым граалем в области аккумуляторных батарей, потому что их емкость в десять раз превышает емкость аккумуляторов с графитовыми анодами, что может значительно увеличить модельный ряд электромобилей» заявляет Ли Синь, доцент кафедры материаловедения в SEAS и старший автор исследования.

Образование дендритов происходит во время зарядки, когда ионы лития двигаются от катода к аноду и прикрепляются к поверхности последнего через гальванопокрытие, которое приводит к образованию неровной поверхности анода. Дендриты в буквальном смысле прорастают по направлению к электролиту, пробивая диафрагму аккумулятора и приводя к его короткому замыканию или даже возгоранию.

В процессе разряда металлический литий на аноде необходимо отслоить, чтобы избавиться от дендритов, но неровная поверхность замедляет процесс отслоения может и приводит к образованию ямок на аноде, что еще больше сильнее ухудшает следующий заряд.

В 2021 году команда Ли Синя разработала многослойный аккумулятор, в котором между катодом и анодом находились различные по характеристикам слои материала. Именно это решение позволило команде разработчиков контролировать и ограничивать рост литиевых дендритов, не допуская их прорастание в диафрагму.

В новом же исследовании команда Ли Синя успешно ограничила образование дендритов, используя микронные частицы кремния в аноде. Учёные добились того что когда ионы лития перемещаются от катода к аноду во время зарядки, реакция лития ограничивается неглубокой поверхностью, и ионы прикрепляются к поверхности частиц кремния без дальнейшего проникновения вглубь (что и разрушает привычные литий-ионные аккумуляторы).

В твердотельных аккумуляторах ионы лития на поверхности частиц кремния ограничены и подвергаются динамическому процессу ионизации лития, образуя слой металлического покрытия литием вокруг сердцевины частиц кремния. Эти гальванические частицы образуют однородную поверхность, а плотность тока равномерно распределяется, предотвращая рост дендритов. Исследовательская группа заявила, что, поскольку процесс нанесения гальванического покрытия и зачистки может происходить быстро на плоской поверхности, эту батарею можно зарядить примерно за 10 минут.

К текущему моменту команда исследователей создала аккумуляторную батарею размером с марку. Речь идёт о способности сохранить 80% своей емкости после 6000 циклов, что гораздо больше того, что может предложить привычый метод создания аккумуляторных батарей.

Новая технология уже была одобрена управлением науки и технологического развития Гарвардского университета.

Источник: ithome.com