Долговечные, быстро заряжающиеся аккумуляторы необходимы для расширения рынка электромобилей, но сегодняшние литий-ионные аккумуляторы не соответствуют тому, чего хотят от батарей — они слишком тяжелые, слишком дорогие и требуют слишком много времени для зарядки.
В течение десятилетий исследователи пытались использовать потенциал твердотельных литий-металлических батарей, которые удерживают значительно больше энергии в том же объеме и заряжаются значительно быстрее, по сравнению с традиционными литий-ионными аккумуляторами.
“Литий-металлическая батарея считается священным Граалем для химии батарей из-за ее высокой ёмкости и плотности энергии”, — сказал Синь Ли, доцент кафедры материаловедения в Гарвардской школе инженерных и прикладных наук Джона А. Полсона (SEAS). “Но стабильность этих батарей всегда была плохой.”
Теперь Ли и его команда разработали стабильную литий-металлическую твердотельную батарею, которую можно заряжать и разряжать по крайней мере 10 000 раз — это гораздо больше циклов, чем было продемонстрировано ранее, — при высокой плотности тока. Исследователи соединили новую конструкцию с обычно применяемыми катодами с высокой плотностью энергии.
Эта технология может увеличить срок службы электромобилей до срока службы бензиновых машин — от 10 до 15 лет — без необходимости замены батареи. Благодаря высокой плотности тока, новые батареи смогут полностью заряжаться в течение 10-20 минут.
Одной из основных проблем с литий-металлическими батареями была, как ни странно, химия. Литиевые батареи перемещают ионы лития от катода к аноду во время зарядки. Когда анод изготовлен из металлического лития, на поверхности образуются игольчатые структуры, называемые дендритами. Эти структуры «разрастались» как корни в электролите и попросту «протыкали» барьер, разделяющий анод и катод, вызывая короткое замыкание или даже возгорание батареи. Новые аккумуляторы — новые вызовы…
Чтобы преодолеть эту проблему, Ли и его команда разработали между анодом и катодом многослойную перегородку, которая объединяет несколько материалов с различной стабильностью. Эта многослойная батарея предотвращает проникновение литиевых дендритов, не останавливая их полностью, а скорее контролируя и сдерживая их.
Если говорить просто — представьте батарею как бутерброд. Сначала идет хлеб — металлический литиевый анод, а затем салат — покрытие из графита.
Затем слой помидоров — первый электролит, и слой бекона — второй электролит. А заканчиваем его еще одним слоем помидоров и последним куском хлеба — катодом.
Первый электролит (химическое название Li5.5PS4.5Cl1.5 или LPSCI) более стабилен с литием, но склонен к проникновению дендритов. Второй электролит (Li10Ge1P2S12 или LGPS) менее стабилен с литием, но, по-видимому, невосприимчив к дендритам. В этой конструкции дендритам «разрешается» расти через графит и первый электролит, но они останавливаются, когда достигают второго. Другими словами, дендриты растут через салат и помидор, но останавливаются на беконе. Барьер бекона останавливает дендриты, а значит защищает от короткого замыкания батареи.
Исследование было опубликовано в журнале Nature и поддержано Конкурсным фондом Дина для перспективных стипендий в Гарвардском университете и Конкурсным исследовательским фондом Harvard Data Science Initiative.
Ложка дёгтя:
Новость позитивная — но вот по срокам пока ничего не известно(((
