Найдено оптимальное давление для улучшения характеристик литий-металлических батарей

Группа учёных химиков и материаловедов смогла определить оптимальное давление, которому должны подвергаться литий-металлические аккумуляторы (LMB) во время работы, чтобы обеспечить оптимальную производительность. В команду исследователей вошли специалисты из Калифорнийского университета в Сан-Диего, Университета штата Мичиган, Национальной лаборатории Айдахо и Центра исследований и разработок General Motors. Выводы по результатам проведённой работы были опубликованы в журнале Nature Energy.

Пока литий-металлические аккумуляторы являются не жизнеспособными для использования их в качестве источников питания электромобилей и даже электроники. Проблемой является небольшой срок службы, а также низкая степень безопасности (могут возникать короткие замыкания из-за роста дендритов лития). Одним из направлений работы по устранению этих недостатков является использование давления при работе таких аккумуляторов. Исследователи заметили, что обеспечение давления на LMB при циклировании (заряд-разряд) повышает стабильность их работы, увеличивает производительность и повышает срок службы. Пока причины этого явления исследователям выяснить не удалось.

Как заявила профессор кафедры инжиниринга Калифорнийского университета в Сан-Диего Ширли Мэн (Shirley Meng), им удалось ответить на этот научный вопрос и предложить новые протоколы тестирования для получения максимальной производительности LMB. В отчёте о проведённом исследовании на Nature Energy специалисты пишут об использовании нескольких методов визуализации для изучения морфологии и количественной оценки производительности LMB. Для сравнения показатели снимались при разном значении давления, которому подвергались аккумуляторы.

Специалистам удалось обнаружить, что более высокое давление заставляют частицы лития осаждаться в виде сплошных аккуратных слоёв без с пористого пространства внутри. Для получения такого результата было использовано давление 3,5 атмосферы. При низком давлении материал получался пористым, а частицы лития осаждались беспорядочно, что оставляло пространство для роста дендритов.

Исследователям также удалось показать, что данный процесс не влияет на межфазную структуру электролитов (SEI) аккумуляторов. Отмечается, что для использования новой технологии потребуется переоборудование производственных мощностей для LMB.

В качестве ещё одного способа повышения производительности литий-металлических аккумуляторов может быть использована их не полная разрядка при циклировании. По мнению исследователей, это поддерживает резервуар с литием, где может произойти повторная кристаллизация. Выводы, сделанные учёными, были подтверждены в центре исследований и разработок General Motors, который расположен в Мичигане.

Сотрудники Национальной лаборатории Айдахо использовали моделирование молекулярной динамики, чтобы оценить диапазон давления, который использовался при проведении данной работы. Он оказался намного меньше, чем специалисты прогнозировали на основе макроскопических механических моделей.

Один из авторов исследования — доктор Чэнчэн Фан (Chengcheng Fang) сказала, что исследовательские институты должны продолжать сотрудничество с отраслевыми партнёрами и национальными лабораториями с целью решения практических проблем в сфере литий-металлических аккумуляторов. В этом исследовании принимали участие следующие специалисты: Minghao Zhang, Chengcheng Fang, Y. Shirley Meng, Bingyu Lu, Miguel Ceja, Jean-Marie Doux, Diyi Cheng.