Междисциплинарная исследовательская группа опубликовала свои выводы в текущем выпуске журнала Joule.
Литиевые батареи – один из наиболее распространенных типов перезаряжаемых батарей, используемых в современной электронике, из-за их способности накапливать большое количество энергии. Традиционно эти батареи состоят из горючих жидких электролитов и двух электродов, анода и катода, которые разделены мембраной. После неоднократной зарядки и разрядки аккумулятора на поверхности электрода могут вырасти нити лития, называемые дендритами.
Дендриты могут пробить мембрану, разделяющую два электрода. Это позволяет контактировать между анодом и катодом, что может привести к короткому замыканию аккумулятора и, в худшем случае, к возгоранию.
«Включение металлического литиевого анода в литий-ионные батареи теоретически может создать батарею с гораздо большей емкостью, чем батарея с графитовым анодом», – сказал Кшиштоф Матияшевский, Дж.C.
Профессор естественных наук Университета Уорнера на химическом факультете Карнеги-Меллона. "Но самое главное, что нам нужно сделать, это убедиться, что созданная нами батарея безопасна."
Одно из предлагаемых решений проблемы летучих жидких электролитов, используемых в нынешних батареях, заключается в замене их твердыми керамическими электролитами. Эти электролиты обладают высокой проводимостью, негорючими и достаточно прочными, чтобы противостоять дендритам. Однако исследователи обнаружили, что контакта между керамическим электролитом и твердым литиевым анодом недостаточно для хранения и подачи энергии, необходимой для большей части электроники.
Сыпей Ли, докторант химического факультета Карнеги-Меллона, и Хан Ван, докторант кафедры материаловедения и инженерии Карнеги-Меллона, смогли преодолеть этот недостаток, создав новый класс материалов, которые можно использовать в качестве полужидких материалов. металлический анод.
Сотрудничая с Матиашевски из Колледжа наук Меллона, лидером в области химии полимеров и материаловедения, и Джеем Уитакром, доверенным профессором энергетики Инженерного колледжа и директором Wilton E. Институт энергетических инноваций Скотта в Карнеги-Меллон, известный своей работой по разработке новых технологий для хранения и генерации энергии, Ли и Ван создали композитную матрицу полимер / углерод с двойной проводимостью, в которой микрочастицы лития равномерно распределены по всей поверхности.
Матрица остается текучей при комнатной температуре, что позволяет ей создавать достаточный уровень контакта с твердым электролитом. Комбинируя полужидкий металлический анод с твердым керамическим электролитом на основе граната, они смогли обеспечить цикл ячейки с плотностью тока в 10 раз более высокой, чем ячейки с твердым электролитом и традиционным анодом из литиевой фольги. Эта ячейка также имела гораздо более длительный цикл жизни, чем традиционные ячейки.
«Этот новый технологический процесс приводит к получению анода батареи на основе металлического лития, который является текучим и имеет очень привлекательную безопасность и производительность по сравнению с обычным металлическим литием.
Внедрение нового материала, подобного этому, может привести к постепенным изменениям в перезаряжаемых батареях на основе лития, и мы прилагаем все усилия, чтобы увидеть, как это работает в различных архитектурах батарей », – сказал Уитакр.
Исследователи считают, что их метод может иметь далеко идущие последствия.
Например, его можно использовать для создания аккумуляторов большой емкости для электромобилей и специализированных аккумуляторов для использования в носимых устройствах, требующих гибких аккумуляторов. Они также считают, что их методы могут быть распространены не только на литиевые, но и на другие системы перезаряжаемых батарей, включая металлические натриевые и калиевые, и могут быть использованы для хранения энергии в масштабе сети.