Литий-металлические батареи с анодами из металлического лития являются неотъемлемой частью аккумуляторных технологий следующего поколения. Они обещают удвоенную плотность энергии современных литий-ионных батарей (которые обычно имеют аноды из графита), поэтому они могут работать дольше и весить меньше. Это может удвоить ассортимент электромобилей.
Но как обычно есть нюанс. До недавнего времени экспериментальные электрические литий-металлические батареи имели очень большой процент отказов, что не позволяло выпускать их на широкий рынок. Основной проблемой литий-металлических батарей является низкая кулоновская эффективность (способность к многократной перезарядке), а это означает, что они проходят ограниченное количество циклов, прежде чем они перестают работать. Это происходит из-за того, что батарея заряжается, запасы активного лития и электролита истощаются. Исследователи аккумуляторов давно подозревали, что это связано с ростом межфазного слоя твердого электролита между анодом и электролитом. Но хотя исследователи разработали различные способы контроля и стабилизации слоя этого, они все еще не полностью решили проблемы с литий-металлическими батареями. Твердый электролит это по сути отложения металлического лития, который отрывается от анода при разрядке батареи, и остается в слое между анодом и катодом. Там он теряют электрическое соединение с анодом, превращаясь в неактивный литий, который больше не может циркулировать через батарею. Этот упущенный литий и виноват в снижении кулоновской эффективности ячейки. Вся проблема была в невозможности контроля за этим слоем, за количеством выпавшего из работы лития, то есть производители аккумуляторных батарей действовали, по сути, наугад, через череду тестов по типу «получится или нет».
Новый способ контроля за непрореагировавшим литием с помощью заборов электролита в самой батарее на основе исследований микро и наноструктур позволяет точно рассчитать количество лития «выпавшего в осадок» и не участвующего в процессе работы батареи. И методом подбора электролита стало понятно, почему некоторые электролиты улучшают кулоновскую эффективность ячейки аккумулятора, а другие нет. Ответ связан с тем, как литий осаждается на аноде, когда элемент заряжается. Некоторые электролиты приводят к тому, что литий образует микро- и наноструктуры, которые повышают производительность элемента. Например, в электролите, специально разработанном исследователями в General Motors, литий откладывается в виде плотных кусков в форме колонн. Этот тип структуры приводит к тому, что во время разряда менее не прореагировавший металлический литий в виде неактивного лития. Результатом является кулоновская эффективность 96 процентов для первого цикла зарядки. Эти превосходные характеристики объясняются столбчатой микроструктурой, сформированной на поверхности токосъемника с минимальной извилистостью, что значительно усиливает структурное соединение реагентов. В данное время, когда используется коммерческий карбонатный электролит, литий осаждается с извилистой, похожей на усы структурой. Эта структура вызывает захват большего количества металлического лития в межфазном слое во время процесса десорбции. Кулоновская эффективность снижается до 85 процентов.
Исследователи предлагают новые технологии для контроля за осаждением и очисткой металлического лития. К ним относятся применение давления на электродные пакеты, создание однородных и механически эластичными слоев межфазного пространства, и используя 3D токосъемники. Комбинация этих мер вполне позволяет использовать запасы лития «на всю катушку» и в ближайшее время создать коммерчески жизнеспособную литий-металлическую батарею, которая уже обладает в 2 раза большей емкостью и гораздо меньшей массой, чем применяемые сейчас литий-ионные аккумуляторы.