Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе прокладывает путь к улучшению лития

Just_Super/iStock

Подписываясь, вы соглашаетесь с нашими Условиями использования и политикой. Вы можете отказаться от подписки в любое время.

Литий-ионные аккумуляторы, изобретенные Джоном Б. Гуденафом в 1980-х годах, стали неотъемлемой частью нашей жизни. Они составляют эффективные системы хранения электрической энергии и используются в электронике, игрушках, ручных электроинструментах, мелкой и крупной бытовой технике, беспроводных наушниках, электромобилях и т. д.

Но они сопряжены со своими рисками и проблемами. Если заряжать слишком быстро, эти батареи могут взорваться или вызвать пожар. Они могут обеспечивать чрезвычайно большие токи и быстро разряжаться при коротком замыкании.

Фактически, более 100 велосипедов взорвались в Нью-Йорке из-за литий-ионных батарей, питающих эти велосипеды. Только в этом году это привело к 13 смертельным случаям.

Литий-ионные аккумуляторы произошли от другой технологии — литий-металлических аккумуляторов, которые имеют больший потенциал взрыва, поскольку имеют примерно вдвое большую энергетическую емкость.

Литий-ионный аккумулятор хранит положительно заряженные атомы лития в клеточной структуре углерода, покрывающей электрод. В то время как литий-металлическая батарея вместо этого покрывает электрод металлическим литием, который умещает в то же пространство в 10 раз больше лития. Это дает последнему более производительную батарею.

И теперь исследование, проведенное исследовательской группой из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA), утверждает, что они нашли способ предотвратить взрыв литий-металлических батарей. Это может привести к созданию более безопасных литий-металлических батарей, способных превзойти литий-ионные батареи.

Если токи заряда и разряда, а также температура аккумуляторов контролируются, они безопасны. Но металлический литий может подвергнуться коррозии сразу же, как только металл положен на поверхность, например, на электрод, поскольку он быстро вступает в реакцию с химическими веществами. Но команда Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработала метод, предотвращающий эту коррозию.

Команда предотвратила коррозию и обнаружила, что вместо «коренастых» или «столбчатых» форм, которые обычно принимает структура металлического лития, они увидели особый многогранник, который команда описывает как «ромбический додекаэдр, 12-гранную фигуру». похожи на игральные кости, используемые в ролевых играх, таких как Dungeons and Dragons», — говорится в пресс-релизе.

В отсутствие коррозии команда заявила, что особый многогранник является истинной формой лития. Это открытие может иметь важное значение для высокоэффективных энергетических технологий.

«Ученые и инженеры провели более двух десятилетий исследований по синтезу металлов, включая золото, платину и серебро, в такие формы, как нанокубы, наносферы и наностержни», — сказал Ючжан Ли, соавтор исследования. «Теперь, когда мы знаем форму лития, возникает вопрос: можем ли мы настроить его так, чтобы он образовывал кубики, которые можно было бы плотно упаковать, чтобы повысить как безопасность, так и производительность батарей?»

Исследование было опубликовано в рецензируемом журнале Nature.

Аннотация исследования:

Электроосаждение металлического лития (Li) имеет решающее значение для батарей высокой энергии. Однако одновременное образование поверхностной коррозионной пленки, называемой межфазной границей твердого электролита (SEI), усложняет процесс осаждения, что лежит в основе нашего плохого понимания электроосаждения металла лития. Здесь мы разделяем эти два взаимосвязанных процесса, опережая образование SEI при сверхбыстрых плотностях тока осаждения, а также избегая ограничений массопереноса. С помощью криогенной электронной микроскопии мы обнаружили, что внутренняя морфология осаждения металлического лития представляет собой ромбический додекаэдр, который удивительно не зависит от химического состава электролита или подложки токосъемника. В архитектуре типа «таблетка» эти ромбические додекаэдры демонстрируют почти точечное контактное соединение с токосъемником, что может ускорить образование неактивного лития. Мы предлагаем протокол импульсного тока, который преодолевает этот режим отказа, используя ромбические додекаэдры лития в качестве зародышей, обеспечивая последующий рост плотного лития, что улучшает производительность батареи по сравнению с базовым уровнем. Хотя в прошлых исследованиях осаждение лития и образование SEI всегда были тесно связаны, наш экспериментальный подход открывает новые возможности фундаментального понимания этих процессов, отделенных друг от друга, и дает новые идеи для разработки более совершенных батарей.