Современные литиевые аккумуляторы способны хранить большие объемы энергии, но у них есть серьезный недостаток: при использовании жидкого электролита на поверхности литиевого анода могут образовываться дендриты — игольчатые структуры, которые непредсказуемо растут. Острые «ветви» дендритов способны проткнуть полимерную перегородку между электродами, что приводит как минимум к короткому замыканию, а в худшем случае — даже к возгоранию батареи.
Чтобы решить эту проблему, команда специалистов Национальной лаборатории Ок-Ридж Министерства энергетики США под руководством Бишну Прасада Тхапалии создала принципиально новый тип батареи. Вместо жидкого электролита ученые использовали ионогель — вещество, которое не является ни жидкостью, ни твердым телом, но эффективно проводит заряженные частицы. Ионогель на основе солей лития и негорючих ионных жидкостей нанесли слоями между ультратонкими гибкими полимерными пленками.
Получилась многослойная структура — так называемая псевдотвердая полиэлектролитная мембрана, — которая сочетает в себе лучшие свойства твердых и жидких материалов. Она достаточно прочна, чтобы противостоять проколам дендритов и выдерживать внутреннее давление газов при перезарядке, и при этом хорошо проводит заряженные ионы. Такая мембрана одновременно выполняет функции и электролита, и разделителя электродов, что устраняет необходимость в жидком электролите и может даже предотвращать или как минимум существенно замедлять процесс образования опасных дендритов.
Лабораторные испытания показали, что новые мембраны демонстрируют стабильную и эффективную работу на протяжении сотен циклов зарядки и разрядки — даже в экстремальных условиях, которые обычно быстро выводят подобные системы из строя. Механическая прочность конструкции обеспечивает долгосрочную надежность литий-металлических аккумуляторов.
Разработка может найти применение в самых разных областях: от бытовой электроники и портативных медицинских устройств до аэрокосмических систем. В перспективе ученые планируют автоматизировать производство мембран с помощью роботизированной лаборатории Ок-Риджа: собирать многослойные структуры смогут роботы, причем делать они это будут полностью автономно, работая даже в ночное время.
Как отмечает Тапалия, разработка проста, но у нее большие перспективы: «Наша цель — масштабировать полученный прототип и превратить его в промышленно применимую технологию, которая сделает накопители энергии безопаснее и долговечнее».
Ранее инженеры выявили неявный механизм поломки аккумуляторов.