Мягкий подход к подавлению дендритов в аккумуляторных батареях

-
20:50
86
Мягкий подход к подавлению дендритов в аккумуляторных батареях

В погоне за перезаряжаемой батареей, которая может питать электромобили на сотни километров на одном заряде, ученые постарались заменить графитовые аноды, используемые в настоящее время в EV батареях, на аноды из литий-металла.

Но, несмотря на то, что литий-металл увеличивает дальность хода EV на 30-50%, он также сокращает срок службы батареи за счет дендритов лития, крошечных древовидных дефектов, которые образуются на литиевом аноде в течение многих циклов зарядки и разрядки. Что еще хуже, дендриты замыкают клетки батареи, если они соприкасаются с катодом.

В течение десятилетий исследователи предполагали, что твердые, твердые электролиты, например, из керамики, будут работать лучше всего, чтобы дендриты не пробивали свой путь через ячейку. Но проблема с таким подходом, многие обнаружили, что это не остановить дендриты от формирования или «зарождения» в первую очередь, как крошечные трещины в лобовом стекле автомобиля, которые в конечном итоге распространились.

Теперь исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) при сотрудничестве с Университетом Карнеги-Меллона сообщают в журнале Nature Materials о новом классе мягких, твердых электролитов — как из полимеров, так и из керамики, — которые подавляют дендриты на этой ранней стадии зарождения, прежде чем они смогут распространиться и привести к выходу из строя аккумуляторной батареи.

Эта технология является примером многопрофильного сотрудничества Berkeley Lab со своими пользователями, направленного на разработку новых идей по сборке, характеристике и разработке материалов и устройств для полупроводниковых батарей.

Твердотельные технологии хранения энергии, такие как полупроводниковые литий-металлические аккумуляторы, в которых используются твердый электрод и твердый электролит, могут обеспечить высокую плотность энергии в сочетании с превосходной безопасностью, но технология должна преодолевать различные материалы и проблемы, связанные с обработкой.

«Наша технология подавления дендритов имеет захватывающие последствия для аккумуляторной промышленности», — сказал соавтор Бретт Хелмс (Brett Helms), штатный научный сотрудник лаборатории молекулярного литья Berkeley Lab. «С ее помощью производители аккумуляторов могут производить более безопасные литий-металлические аккумуляторы как с высокой плотностью энергии, так и с длительным сроком службы».

Хельмс добавил, что литий-металлические батареи, изготовленные с использованием нового электролита, могут также использоваться для питания электромобилей.

Ключевым моментом в разработке этих новых мягких, твердых электролитов стало использование мягких полимеров собственной микропористости, или PIM, поры которых были заполнены наноразмерными керамическими частицами. Поскольку электролит остается гибким, мягким, твердым материалом, производители батарей смогут изготавливать рулоны литиевой фольги с электролитом в качестве слоя между анодом и сепаратором батареи. Эти литий-электродные узлы, или LESA, являются привлекательной заменой традиционного графитового анода, позволяя производителям батарей использовать их существующие сборочные линии, сказал Хелмс.

Для демонстрации возможностей нового PIM композитного электролита по подавлению дендритов команда Хелмса использовала рентгеновские лучи в Advanced Light Source лаборатории Berkeley Lab для создания 3D изображений интерфейса между литиевым металлом и электролитом, а также для визуализации литиевого покрытия и зачистки на срок до 16 часов при высоком токе. Непрерывно плавный рост лития наблюдался при наличии нового PIM композитного электролита, в то время как при его отсутствии интерфейс показывал явные признаки ранних стадий дендритного роста.

Эти и другие данные подтвердили прогнозы новой физической модели электроосаждения металла лития, учитывающей как химические, так и механические характеристики твердых электролитов.

«В 2017 году, когда общепринятая мудрость состояла в том, что необходим твердый электролит, мы предложили создать новый механизм подавления дендритов с помощью мягкого твердого электролита», — сказал соавтор Венкат Вишванатан (Venkat Viswanathan), доцент кафедры машиностроения и научный сотрудник Скоттского института инноваций в области энергетики при Университете Карнеги-Меллон (Carnegie Mellon University), который руководил теоретическими исследованиями для этой работы. «Удивительно найти материальную реализацию этого подхода с композитными материалами PIM».

Награда в рамках программы «IONICS» 24M Technologies объединила эти материалы в аккумуляторные батареи более крупного формата как для электромобилей, так и для электрических самолетов вертикального взлета и посадки, или eVTOL.

«Несмотря на то, что существуют уникальные требования к электропитанию электролизеров и eVTOL, технология твердого электролита из композитного материала PIM кажется универсальной и позволяет работать на большой мощности», — сказал Хельмс.

В исследовании приняли участие ученые из Лаборатории Беркли и Университета Карнеги-Меллон.

Молекулярно-литейный цех и усовершенствованный источник света — это объекты, находящиеся в распоряжении Минэкономразвития, расположенные в Berkeley Lab.

Эта работа проводилась при поддержке Агентства по перспективным исследовательским проектам в области энергетики (ARPA-E) и Управления по науке Министерства энергетики. Дополнительное финансирование было предоставлено Управлением по развитию рабочей силы для преподавателей и ученых министерства образования, что позволило студентам бакалавриата принять участие в исследованиях в рамках программы стажировок в научных лабораториях.

RSS
Нет комментариев. Ваш будет первым!
Загрузка...