В многообещающей архитектуре батарей следующего поколения используется чистый металлический литий - материал с превосходной плотностью энергии, благодаря которому электромобили могут проезжать во много раз дальше с каждым зарядом. Исследовательская группа в США сделала значительный шаг вперед в этой технологии, разработав конструкцию долговечной литий-металлической батареи, которая сохраняет работоспособность в течение рекордного количества циклов зарядки.
Идея этих типов батарей заключается в замене графита, используемого в анодном компоненте, на чистый металлический литий, который может удерживать в 10 раз больше энергии.
Описанный некоторыми исследователями как материал мечты, металлический литий рассматривается как ключ, помогающий нам преодолеть ключевое узкое место в хранении энергии, но ученые боролись с проблемами долговечности, поскольку разработанные до сих пор версии быстро выходили из строя во время использования.
Одна из причин этого отказа - сложные реакции, которые происходят вокруг анода, влияя на тонкую пленку поверх него, известную как межфазная фаза твердого электролита (SEI). Эта пленка контролирует молекулы, которые входят в анод из раствора электролита, через которые электроны перемещаются назад и вперед к другому электроду батареи, известному как катод, и от него.
Таким образом, эта роль привратника возлагает на SEI ответственность за предотвращение нежелательных химических реакций при включении батареи, и именно этот механизм был выбран учеными из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) Министерства энергетики США в новом исследовании. Принято считать, что увеличение количества лития в аноде было одним из способов решения этой проблемы, но команда добилась успеха благодаря другому подходу.
«Многие люди думали, что более толстый литий позволит батарее работать дольше», - говорит Цзе Сяо, один из авторов исследования. «Но это не всегда так. Для каждой литий-металлической батареи существует оптимальная толщина в зависимости от энергии ее элемента и конструкции».
Ученые использовали очень тонкие полоски лития в качестве основы для своего анода, каждая шириной всего 20 микрон, что намного тоньше человеческого волоса. Этот анод был превращен в аккумуляторную батарею карманного типа с плотностью энергии 350 Втч / кг. Лучшие в своем классе литий-ионные батареи, которые используются сегодня, имеют плотность от 250 до 300 Втч / кг, поэтому, хотя 350 Втч / кг не является чем-то необычным в исследовательских кругах, это было бы заметным улучшением по сравнению с доступными в настоящее время технологиями.
В ходе тестирования команда обнаружила, что батарея сохранила 76 % своей емкости после рекордных 600 циклов. Эта версия, устанавливающая рекорд, является еще одним ключевым шагом вперед и, по словам команды, работает намного дольше, чем любые другие версии, разрабатываемые в аналогичных исследовательских проектах.
Команда объясняет успех конструкции тем, что более тонкие полоски способствуют лучшему SEI и, следовательно, лучшему взаимодействию между электролитом и анодом, по сравнению с более толстыми полосками, которые подавляют важные электрохимические реакции. Решив ключевой вопрос, связанный с литий-металлическими батареями, авторы надеются продолжить совершенствование технологии с помощью консорциума из нескольких институтов, известного как Battery500, который работает над достижением плотности энергии 500 Втч / кг.
