Kā novērst īssavienojumus nākamās paaudzes litija akumulatoros? MIT ir atradis jaunu metodi

Tā kā pētnieki turpina pārkāpt akumulatoru dizaina robežas un mēģina ievietot vairāk jaudas un enerģijas noteiktā telpā vai svarā, viena no daudzsološākajām pētītajām tehnoloģijām ir litija jonu akumulatori, kuros starp diviem elektrodiem tiek izmantoti cietie elektrolīta materiāli, nevis tipiski šķidrumi.

Taču šāda veida akumulatorus vienmēr ir nomocījusi tendence uz viena no elektrodiem veidot sazarotu metāla izvirzījumu, galu galā savienojot elektrolītu un izraisot akumulatora īssavienojumu. Tagad MIT un citur pētnieki ir atraduši veidu, kā novērst dendrītu veidošanos, kas varētu atraisīt šī jaunā tipa augstas enerģijas akumulatora potenciālu.

Pētījuma rezultāti tika publicēti žurnālā Natural Energy, un tos kopīgi pabeidza absolventi Ričards Pārkers, profesors Dzjans Huimings un profesors Kreigs Kārters no Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta, kā arī septiņi citi no Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta, Teksasas A&M universitātes. , Brauna universitātē un Kārnegija Melona universitātē.

Dzjans paskaidroja, ka cietvielu akumulatori ir tehnoloģija, kas jau ilgu laiku ir meklēta divu iemeslu dēļ: drošības un enerģijas blīvuma dēļ. Tomēr viņš teica: "Vienīgais veids, kā sasniegt šo interesanto enerģijas blīvumu, ir izmantot metāla elektrodus." Viņš teica, ka, lai gan metāla elektrodus joprojām var apvienot ar šķidriem elektrolītiem, lai sasniegtu labu enerģijas blīvumu, tas nenodrošina tādas pašas drošības priekšrocības kā cietie elektrolīti.

Viņš teica, ka cietvielu akumulatoriem ir jēga tikai uz metāla elektrodiem, taču mēģinājumus izstrādāt šādas baterijas kavē dendrītu augšana, kas galu galā savieno spraugu starp abām elektrodu plāksnēm, izraisot ķēdes īssavienojumu, vājinot vai deaktivizējot šūnas. akumulatoru.

Mēs jau zinām, ka, ja strāva ir liela, dendrīti veidojas ātrāk, kas parasti ir nepieciešams ātrai uzlādei. Līdz šim eksperimentālajās cietvielu baterijās iegūtais strāvas blīvums ir daudz mazāks nekā strāvas blīvums, kas nepieciešams faktiskām komerciālām uzlādējamām baterijām. Bet Dzjans sacīja, ka ir vērts izmantot šo iespēju, jo šī akumulatora eksperimentālā versija var uzglabāt divreiz vairāk enerģijas nekā tradicionālie litija jonu akumulatori.

Komanda atrisināja dendrītu problēmu, radot kompromisus starp cietajiem un šķidrajiem stāvokļiem. Viņi izveidoja puscietu elektrodu, kas saskaras ar cieto elektrolīta materiālu. Puscietais elektrods saskarnē nodrošina pašdziedinošu virsmu, nevis trauslu cietu virsmu, kas var izraisīt nelielas plaisas un nodrošināt sākotnējo sēklu dendrīta veidošanai.

Šo ideju iedvesmoja eksperimentāli augstas temperatūras akumulatori, kur viens vai abi elektrodi ir izgatavoti no kausēta metāla. Saskaņā ar pirmā raksta autora Parka teikto, pārnēsājamām ierīcēm nav iespējams izmantot dažus simtus grādu izkausēta metāla akumulatoru, taču šis darbs parāda, ka šķidrās saskarnes var sasniegt augstu strāvas blīvumu, neveidojot dendrītus. Parks sacīja: "Mūsu motivācija ir izstrādāt elektrodus, kuru pamatā ir rūpīgi atlasīti sakausējumi, lai ieviestu šķidru fāzi, kas var kalpot kā metāla elektrodu pašatjaunošanās elements."

Viņš skaidroja, ka šim materiālam ir spēcīgāka cietība nekā šķidrumam, taču tas ir līdzīgs amalgamai, ko zobārsti izmanto dobumu aizpildīšanai, taču joprojām var plūst un veidot formas. Parastā akumulatora darba temperatūrā tas būs stāvoklī, kurā vienlaikus pastāv gan cietā, gan šķidrā fāze. Šajā gadījumā cietā fāze sastāv no nātrija un kālija maisījuma. Dzjans sacīja, ka pētnieku komanda ir pierādījusi, ka sistēmu ir iespējams darbināt ar strāvu, kas ir 20 reizes lielāka nekā cietā litija izmantošana, neveidojot dendrītus. Nākamais solis ir atkārtot šo veiktspēju, izmantojot īstu litija elektrodu.

Otrajā cietvielu akumulatora versijā komanda ieviesa ļoti plānu šķidrā nātrija kālija sakausējuma slāni starp cietvielu litija elektrodu un cietvielu elektrolītu. Viņi norāda, ka šī metode var arī pārvarēt dendrītu problēmas, nodrošinot citu pieeju turpmākiem pētījumiem.

Dzjans sacīja, ka šo jauno metodi var viegli pielietot daudzām dažādām cietvielu litija bateriju versijām, un pētnieki visā pasaulē pašlaik pēta šāda veida baterijas. Viņš sacīja, ka nākamais komandas solis būs sistēmas pielietojamības demonstrēšana dažādās akumulatoru arhitektūrās. Līdzautors Visvanatans, Kārnegija Melona universitātes mašīnbūves profesors, sacīja: "Mēs uzskatām, ka mēs varam pārveidot šo metodi par jebkuru cietvielu litija jonu akumulatoru. Mēs uzskatām, ka to var nekavējoties pielietot akumulatoru izstrādē, plaši izmanto rokas ierīcēs. , elektriskie transportlīdzekļi un elektriskie lauki."