Совершен прорыв в исследованиях литий-металлических аккумуляторов

Ученые из Южной Кореи совершили прорыв в исследованиях аккумуляторов, который может помочь преодолеть ключевое узкое место в хранении энергии в литий-металлических аккумуляторах.

Прогресс команды исследователей преодолевает техническую проблему, которая сдерживает очень многообещающую архитектуру литий-металлических аккумуляторов и может проложить путь для батарей, емкость которых в 10 раз превышает емкость сегодняшних устройств.

Причина, по которой литий-металлические батареи так хороши, заключается в превосходной плотности энергии чистого металлического лития. Ученые надеются заменить графит, используемый для анода в современных литиевых батареях, на этот «материал мечты», хотя замена связана 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, выводя из строя батарею или даже приводят к ее возгоранию.

Поэтому многие исследования в этой области сосредоточены на предотвращении образования дендритов, и уже было 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 LMB (литий-металлический аккумулятор) является создание эффективного интерфейса твердый электролит (SEI) на поверхности лития».

Профессор Йонг Мин Ли и его коллеги подошли к решению этой проблемы, 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. Предварительная установка соединения во время процесса изготовления позволила создать ультратонкие литий-металлические аноды с гладким и однородным межфазным слоем на поверхности.

Это доказало, что батарея стабильна в течение 450 циклов зарядки, в которых она сохраняла 87 процентов своей емкости и показывала кулоновскую эффективность 96 процентов.

«Мы ожидаем, что предварительная добавка стабилизированных литием соединений в электрод станет ступенькой к коммерциализации крупномасштабных литий-металлических, литий-серных и литий-воздушных батарей с высокой удельной энергией и длительным сроком службы», — говорят ученые.

Исследование было опубликовано в журнале Advanced Energy Materials.