Температура исцеляет литиевые дендриты в батареях

Аккумуляторная литиево-ионная батарея, доминирующая технология батарей для портативной электроники, все чаще становится альтернативой для электромобилей и энергосетей.

В литий-ионной батарее катод (положительный электрод) представляет собой оксид лития, а анод (отрицательный электрод) — графит. Но исследователи ищут способы заменить графит литиевым металлом в качестве анода для повышения плотности энергии батареи.

Поскольку плотность упаковки атомов лития высокая, батареи, которые используют металлические литиевые аноды, могут упаковывать больше энергии на вес или объем, чем аноды на основе графита. Однако литиевые металлические аноды страдают от накопления «дендритов», которое происходит в течение повторяющихся циклов зарядки и разрядки.

Дендриты — это ветвистые выступы, выходящие из металлической поверхности лития. Часто они растут достаточно долго, чтобы потом создать короткое замыкание между электродами, что приводит к пожароопасной ситуации.

Но теперь команда исследователей из Политехнического института Ренсселера (Rensselaer) обнаружила способ использования внутреннего тепла батареи для диффузии дендритов в гладкий слой. Исследователи сообщили о своих результатах на этой неделе в Science.

«Мы обнаружили, что дендриты лития могут быть исцелены путем самонагрева дендритных частиц», — говорят Никхил Кораткар, профессор Джон А. Кларк и профессор инженерных наук Эдвард Т. Кроссен.

Работа вокруг проблемы с дендритом

Батарея состоит из двух электродов — катода и анода. Между электродами расположена изолирующая мембрана, которая действует как разделитель, чтобы электроды не касались друг друга и не замыкали батарею. Сепаратор насыщен жидким электролитом, который позволяет ионам (заряженным атомам) перемещаться назад и вперед между электродами.

Химические реакции вызывают электричество, когда положительно заряженные ионы лития из анода транспортируются к катоду при разрядке. Когда аккумулятор подключен к розетке для подзарядки, происходит обратное: ионы лития поступают с катода обратно на анод.

В батарее с литиевым металлическим анодом повторяющиеся циклы разряда и подзарядки вызывают накопление дендритов на поверхности анода. Они могут в конечном итоге проникнуть в сепаратор и коснуться катода. Когда это случается, происходит короткое замыкание, которое делает батарею неработоспособной или, что еще хуже, вызывает пожар.

Промышленность избегала проблемы с литиевым дендритом, используя углеродные (обычно графитовые) аноды. В этом подходе ионы лития диффундируют и хранятся в углеродной матрице, которая изолирует каждый атом лития, тем самым предотвращая накопление дендритов. Как правило, один атом лития хранится на каждые шесть атомов углерода.

«Литий-ионные батареи с анодами на углероде являются наилучшим вариантом, но они больше не могут справиться с потребностями в емкости для хранения», — сказал Кораткар. «Лучшим вариантом будет металлическая литиевая система».

Техника самонагрева 

Предлагаемое решение исследователей Rensselaer использует внутренний резистивный нагрев батареи для устранения накопления дендрита. Резистивный нагрев (также известный как джоулево нагревание) представляет собой процесс, в котором металлический материал сопротивляется потоку тока и, как результат, производит тепло. Это «самонагревание» происходит через процесс зарядки и разрядки.

Исследователи усилили эффект самонагрева, увеличив плотность тока (разряд заряда) батареи. Процесс вызвал обширную поверхностную диффузию лития, разглаживая дендриты в ровный слой.

Исследователи впервые продемонстрировали это сглаживание дендритов в литий-литиевой симметричной ячейке. Затем они показали процесс с теми же результатами в демонстрации доказательной концепции с использованием литиево-серной батареи.

Исцеление дендритов будет осуществляться с помощью программного обеспечения системы управления батареей, которое обеспечит дозы «самовосстановления», запустив несколько циклов при высокой скорости заряда и разряде, когда электронное устройство не используется.

«Для излечения дендритов произойдет ограниченное количество циклов при высокой плотности тока, а затем нормальные операции могут быть возобновлены», — сказал Кораткар. «Самовосстановление произойдет в качестве стратегии обслуживания задолго до того, как дендриты станут опасными».

«Накопление энергии высокой плотности остается критическим препятствием между сбором возобновляемой энергии и ее широким использованием во всем: от электрических транспортных средств до домов на солнечной энергии», — сказал декан инженерной школы Шехар Гард. «Результаты лаборатории профессора Кораткара показывают, как фундаментальное понимание материалов на уровне наномасштаба может быть использовано для того, чтобы не только увеличить энергетическую плотность батарей, но и увеличить их жизнь и сделать их более безопасными».

Больше информации: Lu Li et al. Self-heating–induced healing of lithium dendrites, Science (2018). DOI: 10.1126/science.aap8787