Ученые прокладывают путь к батареям высокой плотности, которые справляются с дендритами

0 727

Ветвистые наросты, называемые дендритами, продолжают досаждать конструкциям аккумуляторов следующего поколения многих типов, но новое исследование под руководством Массачусетского технологического института утверждает, что раскрыло корень проблемы и показало, как ее можно устранить с помощью разумного использования механического напряжения.

Дендриты представляют собой тонкие, похожие на щупальца металлические нити, которые могут образовываться на электроде литиевой батареи, прокладывая себе путь в электролит, вызывая такие проблемы, как короткое замыкание, нежелательный нагрев и даже возгорание. Были разные подходы к подавлению роста дендритов, но авторы нового исследования считают, что они внесли столь необходимую ясность в этот вопрос.

Ученые экспериментировали с твердотельной батареей, архитектурой которой является материал с твердым электролитом, а не с обычным жидким электролитом, когда они заметили нечто неожиданное. Как и в обычной батарее, ионы лития перемещаются между двумя электродами по мере того, как устройство заряжается и разряжается, в данном случае пропуская их через твердый электролит.

Исследователи обнаружили, что хотя твердый электролит был сделан из относительно твердого материала, очень мягкий литий смог проникнуть в него, когда ионы двигались между электродами с обеих сторон. Это результат изменения объема электродов по мере того, как они принимают и осаждают литий, что, в свою очередь, может привести к проблемному механическому напряжению.

«Чтобы осаждать этот металл, необходимо увеличить объем, потому что вы добавляете новую массу», — сказал профессор Массачусетского технологического института Йет-Минг Чанг. «Итак, на той стороне ячейки, где осаждается литий, наблюдается увеличение объема. И если присутствуют даже микроскопические дефекты, это создаст давление на эти дефекты, что может привести к растрескиванию».

По словам исследователей, трещины могут позволить сформироваться дендритам. Они смогли изучить этот процесс в экспериментальном материале электролита, который должен быть прозрачным.

Формирование дендритов обычно происходит в непрозрачных материалах элемента батареи, что является одной из причин противоречивых представлений о том, что его вызывает и как его остановить. Имея возможность непосредственно наблюдать за этим явлением, ученые смогли придумать новые способы предотвращения повреждения дендритов.

В последующих экспериментах они показали, что можно применять механическое напряжение, чтобы направлять рост дендритов, заставляя их двигаться зигзагами точно в соответствии с направлением давления. Хотя их нельзя полностью остановить от образования, они потенциально могут быть направлены вглубь электрода, а не быстро выходить на поверхность, чтобы нанести ущерб электролиту.

Ученые продемонстрировали это, используя механическое давление для изгиба материала, и представили несколько способов добиться подобного в реальной батарее. Устройство может включать материалы с различными свойствами теплового расширения, вызывающие изгиб и, в свою очередь, механическое напряжение, или материалы могут быть легированы атомами, вызывающими искажения. Важно отметить, что давление, необходимое для контроля роста дендритов, считается очень достижимым, от 150 до 200 мегапаскалей, что, по словам команды, будет нетрудно реализовать.

Если они смогут это сделать и спроектируют батарею, которая решает проблему дендритов, заставляя их безвредно расти через электроды, работа может открыть многообещающие архитектуры следующего поколения, такие как твердотельные литий-металлические батареи.

При использовании чистого металлического лития в качестве одного из анодов вместо графита и меди они могут обеспечить в несколько раз большую плотность энергии, чем современные батареи, а также быть легче и безопаснее, поскольку в них не используются легковоспламеняющиеся жидкие электролиты.

Исследование было опубликовано в журнале Joule.

Дополнительные материалы:
Подписаться
Уведомление о
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии