Пористая мембрана предохраняет литий-металлические батареи от выхода из строя
Основная проблема, сдерживающая развитие литий-металлических батарей, которые могут хранить в 10 раз больше энергии, чем современные литий-ионные батареи, - это образование дендритов
Заменяя чистый металлический литий высокой плотности на графит, ученые могут значительно улучшить характеристики аккумуляторной технологии литий-металлической батареи, но еще предстоит преодолеть некоторые препятствия.
Ученые из немецкого университета Фридриха Шиллера продемонстрировали, как тонко настроенная углеродная мембрана может предотвратить отказ этих типов батарей и обеспечить их безопасную зарядку в течение сотен циклов.
Основная проблема, сдерживающая развитие литий-металлических батарей, которые могут хранить в 10 раз больше энергии, чем современные литий-ионные батареи, — это образование игольчатых структур, называемых дендритами.
Во время зарядки, когда ионы лития перемещаются между двумя электродами батареи, атомы лития накапливаются на отрицательном электроде, известном как анод. Это накопление приводит к образованию остроконечных дендритов, которые могут пробить разделитель между электродами и вызвать короткое замыкание и выход батареи из строя.
Итак, если ученые смогут разработать способ предотвращения образования дендритов, это может позволит создать нормально функционирующую литий-металлическую батарею. Уже было предложено несколько видов потенциальных решений этой проблемы.
Они включают использование ультратонких пленок из лития, нанотрубок и самосборных защитных слоев. Авторы нового исследования стремились бороться с дендритами с помощью новой углеродной мембраны с точно настроенными отверстиями, которые влияют на перенос ионов правильным образом.
«Вот почему мы применили к сепаратору чрезвычайно тонкую двумерную мембрану из углерода с диаметром пор менее одного нанометра», — объясняют исследователи.
«Эти крошечные отверстия меньше критического размера зародыша и, таким образом, предотвращают зародышеобразование, которое приводит к образованию дендритов. Вместо образования дендритных структур литий осаждается на аноде в виде гладкой пленки».
Команда протестировала эту конструкцию батареи вместе с другой батареей без защитной мембраны, чтобы обнаружить, что она имеет вдвое больший срок службы и не обнаруживает признаков роста дендритов за сотни циклов зарядки.
Ученые видят в этом многообещающий шаг к литиевым батареям следующего поколения, они подали патент и теперь будут исследовать, как мембрану можно включить в производственный процесс.
Исследование было опубликовано в журнале Advanced Energy Materials.