Увеличение срока службы батарей с помощью ультратонкого лития
Сегодня нашей жизнью управляет электроника всех форм и видов. Электроника, в свою очередь, управляется своими батареями. Однако традиционные литий-ионные батареи (ЛИБ), которые широко используются в электронных устройствах, теряют свою популярность, поскольку исследователи начинают рассматривать литий-металлические батареи (ЛМБ) как превосходную альтернативу благодаря их удивительно высокой плотности энергии, которая превосходит ЛИБ на порядок! Ключевое различие заключается в выборе материала анода: В ЛИБ используется графит, в то время как в ЛМБ - металлический литий.
Такой выбор, однако, сопряжен с определенными трудностями. Среди наиболее заметных из них - образование на поверхности литиевого анода во время циклирования игольчатых структур, называемых "дендритами", которые стремятся пробить барьер между анодом и катодом, вызывая короткое замыкание и, как следствие, проблемы безопасности. "Образование дендритов сильно зависит от природы поверхности литиевых анодов. Поэтому важнейшей стратегией для ЛМБ является создание эффективного интерфейса твердого электролита (SEI) на поверхности лития", — объясняет профессор Йонг Мин Ли из Института науки и технологии Тэгу Кёнбук (DGIST), Корея, специализирующийся на разработке аккумуляторов.
Соответственно, исследователи изучили множество стратегий, от двухмерной инженерии интерфейса до трехмерной архитектуры литиевого анода. В каждом случае решение одной проблемы уступало место другой. Однако новый подход, основанный на использовании композитных электродов на основе порошка металлического лития (LMP), обещает стать интересным. Привлекательность LMP заключается в их сферической форме, которая обеспечивает большую площадь поверхности, и легкости настройки толщины, позволяющей создавать более широкие и более тонкие электроды. Однако проблемы с использованием LMP все еще существуют, например, морфологическое разрушение, вызванное присущей им неровной поверхностью.
В новом исследовании, опубликованном в журнале , доктор Ли вместе с учеными из Кореи применили новый подход, в котором они предварительно добавили LiNO3 в сам LMP в процессе изготовления электродов, что позволило им изготовить электроды шириной ~150 мм и толщиной 20 мкм, которые показали кулоновскую эффективность 96%.
Добавление LiNO3 к LMP достигло двух целей: оно вызвало однородный богатый азотом SEI на поверхности LMP и привело к его устойчивой стабилизации в течение длительного цикла, поскольку LiNO3 постоянно выделялся в электролит. Фактически, LMB с предварительно засаженным LiNO3 LMP (LN-LMP) продемонстрировали выдающуюся производительность при циклировании с сохранением емкости 87% за 450 циклов, превзойдя даже элементы с электролитами с добавлением LiNO3.
Профессор Ли в восторге от этих результатов и говорит об их практическом значении. "Мы ожидаем, что предварительное введение стабилизированных Li добавок в электрод LMP станет ступенькой на пути к коммерциализации крупномасштабных литий-металлических, Li-S и литий-воздушных аккумуляторов с высокой удельной энергией и длительным сроком службы", — говорит он.
Что касается батарей, похоже, что литий нескоро выйдет из моды!