Из множества различных конструкций, изучаемых учеными в поисках лучших батарей, литий-металлическая архитектура обладает одним из наибольших потенциалов. Однако одной из проблем, сдерживающих эту технологию, является образование щупальцеобразных наростов, называемых дендритами, которые быстро приводят к выходу из строя батареи. Но, кажется, теперь об этом можно забыть.
В литий-металлической батарее графит, используемый в качестве анода, одного из двух электродов литиевой батареи, можно заменить на чистый металлический литий. Этот материал обеспечивает очень высокую плотность энергии и может позволить батареям заряжаться намного быстрее и обеспечивать в 10 раз большую емкость, но до сих пор оказалось сложно заставить их работать надежно в течение длительного времени.
Когда аккумулятор перезаряжается, на аноде начинают формироваться дендриты, что может привести к короткому замыканию, выходу из строя или возгоранию аккумулятора. Мы видели много интересных потенциальных решений этой проблемы дендритов, и ученые из Университета Райса несут ответственность за многие из них: пленки из нанотрубок, особые клейкие ленты и лазерная обработка — это лишь некоторые из недавних примеров.
Новая технология
В своей последней работе ученые под руководством химика Джеймса Тура попытались решить эту проблему с помощью новой обработки щеткой. Техника начинается с очистки анода кистью для создания текстурированной поверхности, а затем нанесения на нее порошка из фосфора и серы. Это приводит к тому, что порошок вступает в реакцию с металлическим литиевым анодом с образованием тонкой защитной пленки, которая изменяет его поверхностную энергию.
«Это обеспечивает металлическую композитную поверхность, которая предотвращает потерю металлического лития из анода, что является распространенной проблемой в литий-металлических батареях», — пояснил Тур. — «Литий-металлические батареи намного превышают емкость традиционных литий-ионных батарей, но металлический литий часто трудно перезаряжать повторно».
Пленка имеет эффект настройки поверхности анода, что способствует более равномерному поведению во время циклов, что увеличивает долговечность батареи. Она прошла испытания в тестовых элементах в течение 340 циклов зарядки: доказано, что они сохраняют на 70% больше емкости, чем стандартные батареи. Пленка также показала хорошие результаты в отношении другого ключевого показателя деградации батареи, сохраняя сверхнизкую поляризацию в течение более 4000 часов, что примерно в восемь раз дольше, чем аноды без пленки.
«Это упростит производство аккумуляторов большой емкости и значительно улучшит их», — уверяет Тур. — «Измельчение этих порошкообразных твердых частиц в литий-металлическом аноде резко снижает образование дендритов, которые могут привести к короткому замыканию батареи, а также ускоренный расход материалов».