Ученые втрое увеличили срок службы литий-металлических батарей

Ученые из Университета Райса разработали новый многообещающий электродный материал для аккумуляторной архитектуры с огромным потенциалом.

Прорыв команды может помочь преодолеть давнюю проблему с литий-металлическими батареями, технологией, которая обещает значительно улучшить производительность современных решений.

Литий-металлические батареи — это батареи, в которых графит, традиционно используемый в качестве анода (один из двух электродов), заменен чистым металлическим литием. Поскольку этот материал обладает очень высокой удельной энергией, металлический литий поможет сделать аккумуляторы, которые заряжаются намного быстрее, и обеспечивают в 10 раз большую емкость.

Но на этом пути стоят несколько препятствий, одним из которых является неприятное образование щупалевидных выступов, называемых дендритами.

Они образуются на поверхности анода во время зарядки и могут вызвать короткое замыкание, выход из строя или возгорание аккумулятора, поэтому многие исследования аккумуляторов направлены на их подавление.

Последний прорыв в этой области произошел от исследователей из Университета Райса и начинается с полоски клейкой ленты. Исследователи применили ленту к медному токосъемнику, который является частью литиевого анода, и обработала его лазерами, чтобы нагреть до экстремальной температуры 2300 Кельвинов (2026°C), что дало ему некоторые очень полезные новые свойства.

Этот процесс превратил ленту в пористое покрытие, состоящее в основном из кремния и кислорода, вместе с небольшим количеством графена. Первоначальные эксперименты с пленкой показали, что она может служить защитным слоем на компоненте токосъемника, поглощая и выделяя металлический литий, не вызывая роста вредных дендритов.

Одним из последствий замены графита металлическими анодами лития является повышенное окисление на поверхности, что значительно сокращает срок их службы, что исследователи пытались компенсировать добавлением избыточного количества лития. Однако есть и положительные стороны в том, чтобы оставить все как есть.

«Когда в анодах отсутствует избыток металлического лития, они обычно подвергаются быстрой деградации, что приводит к образованию ячеек с очень ограниченным сроком службы», — говорят ученые. «С другой стороны, эти «анодные» ячейки становятся легче и обеспечивают лучшую производительность, но ценой короткого срока службы».

В своем лазерно-индуцированном защитном покрытии из оксида кремния команда Университета Райса, возможно, нашла способ использовать эти положительные стороны без дополнительного бремени избытка лития.

Их эксперименты показали, что батареи, оснащенные новым покрытием, демонстрировали втрое больший срок службы других литий-металлических батарей, сохраняя 70 процентов их емкости в течение 60 циклов заряда и разряда.

Ученые описывают этот метод как быстрый и безопасный, не содержащий растворителей и способный выполняться при комнатной температуре. Поэтому они возлагают большие надежды на то, что его потенциал будет расширен.

Исследование было опубликовано в журнале Advanced Materials.