Ako zabrániť skratom v ďalšej generácii lítiových batérií? MIT našla novú metódu

Keďže výskumníci pokračujú v prekračovaní hraníc dizajnu batérií a snažia sa umiestniť viac energie a energie do daného priestoru alebo hmotnosti, jednou z najsľubnejších technológií, ktoré sa skúmajú, sú lítium-iónové batérie, ktoré používajú pevné elektrolytické materiály medzi dvoma elektródami namiesto typické kvapaliny.

Ale tento typ batérie bol vždy sužovaný trendom vytvárania rozvetveného kovového výčnelku na jednej z elektród, ktorý v konečnom dôsledku spájal elektrolyt a spôsoboval skrat batérie. Teraz výskumníci z MIT a inde našli spôsob, ako zabrániť tvorbe dendritov, čo by mohlo uvoľniť potenciál tohto nového typu vysokoenergetickej batérie.

Výsledky výskumu boli publikované v časopise Natural Energy a spoločne ich dokončili postgraduálni študenti Richard Parker, profesor Jiang Huiming a profesor Craig Carter z Massachusetts Institute of Technology, ako aj sedem ďalších z Massachusetts Institute of Technology, Texas A&M University. , Brown University a Carnegie Mellon University.

Jiang vysvetlil, že polovodičové batérie sú technológiou, ktorá sa dlho hľadala z dvoch dôvodov: bezpečnosť a hustota energie. Povedal však: "Jediný spôsob, ako dosiahnuť túto zaujímavú hustotu energie, je použiť kovové elektródy." Povedal, že hoci kovové elektródy možno stále kombinovať s tekutými elektrolytmi, aby sa dosiahla dobrá hustota energie, neposkytuje to rovnaké bezpečnostné výhody ako tuhé elektrolyty.

Povedal, že polovodičové batérie majú zmysel iba na kovových elektródach, ale pokusom o vývoj takýchto batérií bránil dendritický rast, ktorý v konečnom dôsledku spája medzeru medzi dvoma elektródovými platňami, čo spôsobuje skrat v obvode, oslabenie alebo deaktiváciu článkov v batérie.

Už vieme, že keď je prúd vysoký, dendrity sa tvoria rýchlejšie, čo je zvyčajne potrebné na rýchle nabíjanie. Zatiaľ je prúdová hustota získaná v experimentálnych polovodičových batériách oveľa nižšia ako prúdová hustota potrebná pre skutočné komerčné dobíjacie batérie. Jiang však povedal, že táto perspektíva stojí za to sledovať, pretože experimentálna verzia tejto batérie dokáže uložiť dvakrát toľko energie ako tradičné lítium-iónové batérie.

Tím vyriešil problém dendritov kompromismi medzi pevným a kvapalným stavom. Vytvorili polotuhú elektródu v kontakte s pevným elektrolytickým materiálom. Polotuhá elektróda poskytuje samoliečiaci povrch na rozhraní, a nie krehký pevný povrch, čo môže viesť k malým trhlinám a poskytnúť počiatočné zárodky pre tvorbu dendritov.

Táto myšlienka bola inšpirovaná experimentálnymi vysokoteplotnými batériami, kde jedna alebo obe elektródy sú zložené z roztaveného kovu. Podľa prvého autora článku, Parka, nie je možné použiť niekoľko sto stupňovú batériu roztaveného kovu pre prenosné zariadenia, ale táto práca demonštruje, že kvapalné rozhrania môžu dosiahnuť vysokú prúdovú hustotu bez vytvárania dendritov. Park povedal: "Našou motiváciou je vyvinúť elektródy založené na starostlivo vybraných zliatinách, aby sme zaviedli kvapalnú fázu, ktorá môže slúžiť ako samoliečiaci prvok pre kovové elektródy."

Vysvetlil, že tento materiál má silnejšiu pevnosť ako kvapalina, ale je podobný amalgámu, ktorý používajú zubári na vyplnenie dutín, no stále môže tiecť a vytvárať tvary. Pri normálnej prevádzkovej teplote bude batéria v stave, keď súčasne existuje tuhá aj kvapalná fáza. V tomto prípade je tuhá fáza zložená zo zmesi sodíka a draslíka. Jiang povedal, že výskumný tím dokázal, že je možné prevádzkovať systém s prúdom 20-krát vyšším ako pri použití pevného lítia bez vytvárania akýchkoľvek dendritov. Ďalším krokom je replikácia tohto výkonu pomocou skutočnej lítiovej elektródy.

V druhej verzii tuhej batérie tím zaviedol veľmi tenkú vrstvu tekutej zliatiny sodíka a draslíka medzi lítiovú elektródu v tuhom stave a elektrolyt v tuhom stave. Naznačujú, že táto metóda môže tiež prekonať dendritické problémy, čo poskytuje ďalší prístup pre ďalší výskum.

Jiang povedal, že túto novú metódu možno ľahko aplikovať na mnoho rôznych verzií polovodičových lítiových batérií a výskumníci z celého sveta v súčasnosti študujú tento typ batérie. Povedal, že ďalším krokom tímu bude demonštrovať použiteľnosť systému v rôznych batériových architektúrach. Spoluautor Viswanatan, profesor strojárstva na Carnegie Mellon University, povedal: "Veríme, že túto metódu dokážeme premeniť na akúkoľvek polovodičovú lítium-iónovú batériu. Veríme, že ju možno okamžite použiť pri vývoji batérií, ktoré sa široko používajú v ručných zariadeniach." , elektrické vozidlá a elektrické polia."