Разработан твердотельный аккумулятор, который заряжается за считанные минуты
Учёные из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) разработали новый литиевый металлический аккумулятор, который выдерживает не менее 6000 циклов заряда и разряда. Причем заряжать его можно всего за несколько минут. В исследовании учёные описывают не только новую технологию изготовления твердотельных аккумуляторов с литий-металлическим анодом, но также предлагают своё видение материалов которые используются для производства этих аккумуляторных батарей.
Руководитель исследования, доцент кафедры материаловедения в SEAS, Синь Ли отметил, что ёмкость литий металлических аккумуляторов в 10 раз превышает ёмкость стандартных литий-ионных батарей. Они могут существенно увеличить запас хода электромобилей. Поэтому проведённое исследование стало важным этапом на пути к производству более практичных твердотельных аккумуляторов. Одной из серьёзных проблем при проектировании таких аккумуляторов является образование дендритов на поверхности анода. Такие структуры врастают в электролит и повреждают изоляцию, разделяющую катод и анод. Из-за этого происходит воспламенение или короткое замыкание.
Дендриты образуются в тот момент, когда ионы лития двигаются от катода к аноду (процесс зарядки). В этот момент они прикрепляются к поверхности анода – процесс гальванопокрытия. В результате на поверхности анода создаётся неоднородный налёт и дендриты укореняются. Когда идёт процесс разряда, это покрытие требуется удалить. Но если покрытие неравномерное, то процесс приводит к образованию выбоин, а при следующей зарядке будет ещё более неравномерное покрытие.
В 2021 году Ли с командой исследователей предложили вариант борьбы с дендритами, когда разработали многослойный аккумулятор. В нём между анодом и катодом они разместили разные материалы с различной стабильностью. Такая конструкция позволяла предотвратить проникновение дендритов лития. Но она не останавливала их полностью, а просто сдерживала и контролировала.
В своём новом исследовании Ли с командой предотвращают образование дендритов, благодаря использованию в аноде частиц кремния микронного размера. Это ограничивает реакцию литирования и облегчает гомогенные покрытие толстым слоем металлического лития. В данной конструкции при перемещении ионов лития от катода к аноду (процесс зарядки) реакция литирования сужается на мелкой поверхности. Ионы прикрепляются к поверхности частиц кремния, но не происходит их дальнейшего проникновения. Этот электрохимический процесс отличается от процессов, которые идут в литий-ионных аккумуляторах с жидким электролитом. Там ионы лития проникают в анод и разрушают частицы кремния из-за глубокой реакции литиирования.
В твердотельном аккумуляторе ионы на поверхности кремния сжимаются. Они подвержены процессу литиирования, в результате которого происходит образование металлического литиевого покрытия вокруг кремниевого ядра. Ли отметил, что в предложенной конструкции металлический литий обёрнут вокруг частиц кремния. Получается, как твёрдая скорлупа вокруг ядра ореха.
Частицы с покрытием создают однородную поверхность. По ней равномерно распределяется плотность тока и предотвращается рост дендритов. На такой поверхности покрытие и зачистка проходят довольно быстро. В результате аккумулятор перезаряжается всего за 10 минут. Учёным удалось создать версию аккумулятора размером с почтовую марку. Это в 10-20 раз больше, чем аккумуляторы таблетки, которые создают во многих лабораториях университетов.
После прохождения 6000 циклов заряда и разряда аккумулятор сохранил 80% от своей первоначальной ёмкости. Это превосходит все прочие параметры аккумуляторов, представленных на рынке на сегодняшний день. Лицензию на эту технологию передали через Гарвардское управление технологических разработок компании Adden Energy, дочерней компании Гарварда. И учредителями являются Ли и трое выпускников Гарварда.
Ли со своей командой охарактеризовали свойства, позволяющие кремнию сдерживать диффузию лития. Это облегчает динамический процесс, который способствует гомогенному нанесению литиевого покрытия. После этого специалисты определили уникальный дескриптор свойства для описания проходящего процесса. Они провели его расчёт для всех известных неорганических материалов. Кстати, они также выявили десятки других материалов, которые в перспективе могут обеспечить подобные характеристики.
Учёные говорят, что предыдущие исследования, которые они проводили, продемонстрировали некоторые хорошие материалы подходящие для анода в твердотельных аккумуляторах. В частности, это серебро. Проведённое исследование объясняет один из возможных механизмов, которые лежат в основе данного процесса. Это открывает путь к поиску и выявлению новых материалов для использования в твердотельных аккумуляторах.
(голосов: 1, в среднем: 5,00 из 5)
Загрузка...
