Підвищення безпеки та ефективності акумуляторів для електромобілів

Оскільки електричні транспортні засоби та персональна портативна електроніка стають все більш поширеними, дослідники намагаються вирішити деякі основні обмеження поточної технології літій-іонних акумуляторів, яка використовує графітовий анод і катод на основі оксиду перехідного металу на основі літію. Навпаки, металеві літієві батареї, які використовують літієвий анод на додаток до літієвого катода, можуть мати потенціал для вирішення деяких із цих проблем, створюючи високоенергетичні, довговічні та безпечніші альтернативи літій-іонним батареям.

Для широкого впровадження літієвих металевих батарей необхідно вирішити дві ключові проблеми. По-перше, ці батареї схильні утворювати скупчення літієвих дендритів, які є металевими відкладеннями. По-друге, ці батареї мають великі коливання об’єму електродів. Обидві проблеми призводять до зниження продуктивності та загрози безпеці.

У статті, опублікованій в Nano Research 11 жовтня, дослідники описують техніку розробки тривимірного композитного літієвого анода за допомогою термічної інфузії, яка успішно усуває осадження літію та втрату енергії під час циклів заряду.

«Металеві літієві батареї стають перспективними електрохімічними накопичувачами для електромобілів через їхню високу щільність енергії ; однак ці проблеми, пов’язані зі зростанням літієвих дендритів і великими варіаціями об’єму електрода літієвого анода, обмежують їх практичне застосування», — сказав дослідник Фейфей Цао. Хуачжунського сільськогосподарського університету в Ухані, Китай. «Дуже бажано вивчити відповідні способи вирішення проблем літієвих анодів, щоб ці батареї могли стати більш практичним варіантом».

Щоб створити літієво-металеву батарею, яка б вирішила ці проблеми, дослідники створили 3D каркас і влили в нього розплавлений літій. Ключем до забезпечення безпеки цієї техніки є використання шару нанолистів, виготовлених із подвійного оксиду магнію та алюмінію. Цей матеріал описується як літіофільний, що означає, що він притягує літій для створення сплаву.

Розплавлений літій тягнеться до нанолистів і за допомогою капілярної дії проходить через 3D каркас. Ця капілярна сила надзвичайно важлива, пояснив Цао, оскільки вона полегшує тимчасове проникнення розплавленого літію в 3D-основу, створюючи стабільний 3D-композитний літієвий анод.

Дослідники провели суворі випробування батарей, розроблених за новою технологією. У порівнянні з існуючою технологією батареї утворювали трубчасті дендрити, але показали лише невеликі коливання товщини на 3%. Для порівняння, без нової технології великий електрод зріс на 22%.

Дослідники також перевірили кулонівську ефективність батареї або ефективність струму, яка вимірює ємність батареї та втрати енергії. Після 100 циклів зарядки ефективність батареї залишилася на рівні 98,6%. Для порівняння, звичайні металеві літієві батареї зазнали значних втрат енергії лише після 23 циклів заряджання.

Заглядаючи вперед, дослідники планують, як продовжувати вдосконалювати металеві літієві батареї, щоб цю технологію можна було ширше застосовувати.