Литий-ионные батареи признаны в настоящее время отраслевым стандартом. Их используют в ноутбуках, смартфонах и электромобилях. Однако именно на электромобилях особенно заметны недостатки таких аккумуляторов: они большие, тяжелые, дорогие, имеют длительное время зарядки и в случае аварии могут воспламеняться, вызывая опустошительные пожары.
Но наука и техника не топчутся на месте. Уже на протяжении десятилетий разрабатываются и исследуются твердотельные батареи, позволяющие устранить все эти недостатки. Особенно перспективными среди них выглядят литий-металлические аккумуляторы. «Многие специалисты из-за высокой емкости и плотности энергии называют их святым Граалем в сфере аккумуляторов», - говорит Синь Ли из Гарвардского университета. Однако особенности конструкции этих батарей создают некоторое число серьезных проблем. Но, похоже, что Синь Ли и его команде удалось решить одну из них.
Дендриты вызывают короткое замыкание
Одна из проблем состоит в том, что в литий-металлических батареях во время зарядки на металлическом слое, который является электролитом, образуются иглоподобные дендриты. Подобно корням, они врастают в электролит и тем самым разрушают барьер между анодом и катодом. Это приводит к короткому замыканию и в некоторых случаях к опасному выгоранию аккумулятора.
Синь Ли и его команда попробовали решить эту проблему, создавая электролит из нескольких слоев. В дополнение к слою металлического лития используется и второй слой, который состоит из лития, фосфора, германия и серы.
Дендриты могут прорастать через слой металлического лития, но затем их останавливает второй слой. Вместо того, чтобы кропотливо пытаться предотвратить образование дендритов, контролируется их рост. Использование второго слоя имеет еще одно преимущество: благодаря этому аккумулятор самовосстанавливается. Химические процессы закрывают дыры в слое металлического лития, созданные ранее дендритами.
Первые лабораторные тесты оказались успешными
Лабораторные испытания показали, что аккумулятор способен выдержать не менее десятка тысяч циклов зарядки. И это при том, что разработанные на сегодняшний день литий-металлические батареи (однослойные), серьезно повреждаются дендритами всего после 50–100 циклов зарядки.
Двухслойная же батарея в лабораторных испытаниях заряжается быстрее обычных литий-ионных аккумуляторов, и потеряла после нескольких тысяч циклов зарядки лишь 20 процентов своей емкости. Однако это пока что лишь прототип, оптимизированный только для испытаний стабильности, и поэтому он еще не имеет значительно большей емкости, чем обычный литий-ионный аккумулятор.
Отпадает необходимость замены аккумуляторов электромобилей
По словам Синь Ли, разработка уже дает понять, что твердотельные литий-металлические батареи могут не только обеспечивать такой же срок службы, как и литий-ионные аккумуляторы, но и показывают значительно больший временной ресурс их эксплуатации. Кроме того, многослойное решение потенциально подходит для массового производства, благодаря чему литий-металлические аккумуляторы будут лишь ненамного дороже привычных литий-ионных аккумуляторов.
По мнению исследователей, коммерческие литий-металлические аккумуляторы с двойным слоем будут иметь срок службы от 10 до 15 лет. Это примерно соответствует среднему сроку жизни бензинового автомобиля. В случае же электромобилей с такой батареей владельцам больше не нужно будет заменять аккумулятор через несколько лет, чтобы снова обеспечить больший запас хода. Кроме того, такую литий-металлическую батарею можно будет полностью зарядить всего за 10-20 минут.
После прочтения не забудьте оценить, а если понравилась - подписаться 👍