МатематикаХимия

Математическая модель прокладывает путь к разработке нового поколения батарей


Мощнее, быстрее заряжаются, легче... По сравнению с литий-ионными батареями, литий-металлические батареи кажутся очень перспективными. Однако, несмотря на многочисленные эксперименты, на их пути все еще стоят технические препятствия. Поэтому группа ученых из Стэнфордской школы наук о Земле, энергетике и окружающей среде решила применить более математический подход к этой проблеме.

Одна из причин, по которой литий-металлическая батарея, близкий родственник литий-ионной батареи, до сих пор не смогла перехватить лидерство, заключается в дендритах. В аккумуляторе дендриты - это небольшие наросты, которые образуются в результате осаждения лития во время циклов разрядки и зарядки. Они могут вызвать потерю эффективности, перегрев или даже короткое замыкание, когда вырастают достаточно большими, чтобы соединить анод и катод (клеммы "+" и "-" в цепи). Пока что эти знаменитые дендриты явно ограничивают коммерческое развитие литий-металлических батарей.

Для решения этой проблемы проводятся многочисленные лабораторные эксперименты с разной степенью успеха. Однако этот метод лабораторной работы может занять много времени, чтобы принести плоды, а результаты трудно интерпретировать, считают ученые. Поэтому в этот раз исследователи решили сосредоточиться на теоретическом аспекте. Они работали над математической моделью, основанной на физике и химии, участвующих в образовании дендритов. Они представили свои результаты в журнале Journal of the electrochemical society.

"Большое количество исследований посвящено разработке материалов и экспериментальной проверке сложных аккумуляторных систем, и в целом, математических основ, подобных той, которую возглавил Вейю, в этих усилиях практически не было", — говорит один из соавторов исследования, Даниэль Тартаковский, профессор инженерии энергетических ресурсов в Стэнфорде, в заявлении учебного заведения. Созданная учеными математическая модель призвана представить механизмы, действующие в литий-металлической батарее, особенно в отношении внутренних электрических полей и переноса ионов лития через материал электролита.

Цель - предоставить теоретические рекомендации другим исследовательским группам для проведения более целенаправленных экспериментов по увеличению срока службы батарей. "Мы надеемся, что другие исследователи смогут воспользоваться рекомендациями нашего исследования для разработки устройств с нужными свойствами и сократить количество проб и ошибок, экспериментальных вариаций, которые им приходится делать в лаборатории", — сказал Хамди Тчелепи, также соавтор исследования. В результате было проведено первое исследование, которое уже дает некоторые зацепки для экспериментов. "Это исследование позволяет выяснить некоторые конкретные детали условий, при которых могут формироваться дендриты, а также возможные способы подавления их роста", — говорит Тчелепи.

Анизотропные материалы - ключ к батареям будущего?

Первая модель, представленная учеными, подчеркивает ключевую идею: использование новых электролитов, особенно анизотропных, может ограничить или даже остановить развитие дендритов. Электролит - это проводящее вещество, которое позволяет ионам перемещаться между двумя электродами внутри батареи. Чтобы лучше понять это, мы должны рассмотреть определение "анизотропный".

Анизотропные материалы - это материалы, которые обладают различными свойствами в зависимости от их "направления". "Классическим примером анизотропного материала является древесина, которая сильнее в направлении волокон, видимых как линии в древесине, чем в направлении от волокон", — говорит сотрудник Стэнфордской школы наук о Земле, энергии и окружающей среде. Анизотропные электролиты, по мнению математиков, могут регулировать движение ионов таким образом, чтобы избежать образования дендритов. Некоторые жидкие кристаллы или гели обладают такими свойствами, предполагают ученые.

Использование анизотропных материалов может найти применение и в мембранах. Одним из подходов, используемых в настоящее время для решения проблемы дендритов, является установка мембраны для предотвращения соприкосновения электродов и короткого замыкания. Полезными могут оказаться сепараторы с порами, обеспечивающими анизотропный поток ионов.

Однако для подтверждения этих теоретических выводов нам придется подождать, пока другие исследователи возьмут их на вооружение в своих экспериментах. Тем временем команда ученых работает над созданием полного виртуального представления этого типа батареи. Эта виртуальная модель называется "цифровой аватар системы ионно-металлической батареи", или DABS. "С помощью DABS мы продолжим развивать уровень техники для этих перспективных устройств хранения энергии", — говорит Даниэль Тартаковский.

Подписывайтесь на нас
Back to top button