Kaip išvengti trumpųjų jungimų naujos kartos ličio baterijose? MIT rado naują metodą

Kadangi mokslininkai ir toliau laužo baterijų dizaino ribas ir siekia, kad tam tikroje erdvėje ar svoryje būtų galima sutalpinti daugiau galios ir energijos, viena iš perspektyvesnių tiriamų technologijų yra ličio jonų baterijos, kuriose tarp dviejų elektrodų naudojamos kietos elektrolito medžiagos. tipiški skysčiai.

Tačiau tokio tipo baterijas visada vargino tendencija, kad ant vieno iš elektrodų susidaro šakotas metalinis išsikišimas, galiausiai sujungiantis elektrolitą ir sukeliantis baterijos trumpąjį jungimą. Dabar MIT ir kitur mokslininkai rado būdą, kaip užkirsti kelią dendritų susidarymui, kuris galėtų atskleisti šio naujo tipo didelės energijos akumuliatoriaus potencialą.

Tyrimo išvados buvo paskelbtos žurnale Natural Energy ir jas bendrai užbaigė magistrantai Richardas Parkeris, profesorius Jiang Huimingas ir profesorius Craigas Carteris iš Masačusetso technologijos instituto, taip pat septyni kiti iš Masačusetso technologijos instituto, Teksaso A&M universiteto. , Browno universitetas ir Carnegie Mellon universitetas.

Jiangas paaiškino, kad kietojo kūno baterijos yra technologija, kurios ilgą laiką buvo ieškoma dėl dviejų priežasčių: saugumo ir energijos tankio. Tačiau jis sakė: „Vienintelis būdas pasiekti šį įdomų energijos tankį yra naudoti metalinius elektrodus“. Jis teigė, kad nors metalinius elektrodus vis dar galima derinti su skystais elektrolitais, kad būtų pasiektas geras energijos tankis, tai nesuteikia tokių saugumo pranašumų kaip kietieji elektrolitai.

Jis teigė, kad kietojo kūno baterijos yra prasmingos tik ant metalinių elektrodų, tačiau bandymams sukurti tokias baterijas trukdė dendritų augimas, kuris galiausiai sujungia tarpą tarp dviejų elektrodų plokščių, sukeldamas trumpąjį jungimą, susilpnindamas arba išjungdamas ląsteles. baterija.

Jau žinome, kad esant didelei srovei, greičiau susidaro dendritai, kurie dažniausiai reikalingi greitam įkrovimui. Iki šiol eksperimentinėse kietojo kūno baterijose gautas srovės tankis yra daug mažesnis nei srovės tankis, reikalingas tikroms komercinėms įkraunamoms baterijoms. Tačiau Jiangas teigė, kad šios perspektyvos verta siekti, nes eksperimentinė šios baterijos versija gali sukaupti dvigubai daugiau energijos nei tradicinės ličio jonų baterijos.

Komanda išsprendė dendritų problemą darydama kompromisus tarp kietųjų ir skystųjų būsenų. Jie pagamino pusiau kietą elektrodą, susiliečiantį su kieto elektrolito medžiaga. Pusiau kietas elektrodas sukuria savaime gyjantį paviršių sąsajoje, o ne trapų kietą paviršių, dėl kurio gali susidaryti nedideli įtrūkimai ir atsirasti pradinė dendrito susidarymo sėkla.

Šią idėją įkvėpė eksperimentinės aukštos temperatūros baterijos, kuriose vienas arba abu elektrodai yra sudaryti iš lydyto metalo. Pasak pirmojo straipsnio autoriaus Parko, negalima naudoti kelių šimtų laipsnių išlydyto metalo baterijos nešiojamiesiems įrenginiams, tačiau šis darbas parodo, kad skystos sąsajos gali pasiekti didelį srovės tankį nesudarant dendritų. Parkas sakė: „Mūsų motyvacija yra sukurti elektrodus, pagrįstus kruopščiai atrinktais lydiniais, kad būtų įvesta skystoji fazė, kuri galėtų būti metalinių elektrodų savaiminio gijimo elementas.

Jis paaiškino, kad ši medžiaga yra tvirtesnio kietumo nei skystis, tačiau yra panaši į amalgamą, kurią odontologai naudoja ertmėms užpildyti, tačiau vis tiek gali tekėti ir formuoti formas. Esant normaliai akumuliatoriaus veikimo temperatūrai, jis bus tokioje būsenoje, kai vienu metu egzistuoja ir kietoji, ir skystoji fazės. Šiuo atveju kietąją fazę sudaro natrio ir kalio mišinys. Jiangas teigė, kad tyrimų grupė įrodė, kad sistemą galima valdyti 20 kartų didesne srove nei naudojant kietą ličio, nesudarant jokių dendritų. Kitas žingsnis yra pakartoti šį veikimą naudojant tikrą ličio elektrodą.

Antrojoje kietojo kūno akumuliatoriaus versijoje komanda įvedė labai ploną skysto natrio kalio lydinio sluoksnį tarp kietojo kūno ličio elektrodo ir kietojo kūno elektrolito. Jie rodo, kad šis metodas taip pat gali įveikti dendritines problemas ir suteikia kitą metodą tolesniems tyrimams.

Jiang teigė, kad šis naujas metodas gali būti lengvai pritaikytas daugeliui skirtingų kietojo kūno ličio baterijų versijų, o mokslininkai visame pasaulyje šiuo metu tiria tokio tipo baterijas. Jis teigė, kad kitas komandos žingsnis bus parodyti sistemos pritaikomumą įvairiose baterijų architektūrose. Bendraautorius Viswanatanas, Carnegie Mellon universiteto mechanikos inžinerijos profesorius, sakė: "Manome, kad galime paversti šį metodą bet kokia kietojo kūno ličio jonų baterija. Manome, kad jis gali būti nedelsiant pritaikytas kuriant baterijas, plačiai naudojamas nešiojamuose įrenginiuose. , elektrinės transporto priemonės ir elektriniai laukai“.