Открытие исследователей из Массачусетского технологического института может, наконец, открыть двери для разработки перезаряжаемой литиевой батареи нового типа, которая будет более легкой, компактной и безопасной, чем текущие версии, и над которой в течение многих лет работают лаборатории по всему миру.
Ключом к этому потенциальному скачку в аккумуляторной технологии является замена жидкого электролита , который находится между положительным и отрицательным электродами, на гораздо более тонкий и легкий слой твердого керамического материала, а также замена одного из электродов твердым металлическим литием. Это значительно уменьшит общий размер и вес батареи и устранит риск безопасности, связанный с жидкими электролитами, которые легко воспламеняются. Но этот поиск столкнулся с одной большой проблемой: дендритами .
Дендриты, название которых происходит от латинского слова «ветви», представляют собой выступы металла, которые могут накапливаться на поверхности лития и проникать в твердый электролит , в конечном итоге переходя от одного электрода к другому и замыкая элемент батареи. Исследователи не смогли прийти к единому мнению о том, что приводит к возникновению этих металлических нитей, и не было достигнуто большого прогресса в том, как предотвратить их появление и, таким образом, сделать легкие твердотельные батареи практичным вариантом.
Новое исследование, опубликованное сегодня в журнале Joule в статье профессора Массачусетского технологического института Йет-Минг Чанга, аспиранта Коула Финчера и еще пяти человек из Массачусетского технологического института и Университета Брауна, похоже, решает вопрос о том, что вызывает образование дендритов. Он также показывает, как можно предотвратить пересечение дендритов через электролит.
Чан говорит, что в более ранней работе группы они сделали «удивительный и неожиданный» вывод, который заключался в том, что твердый твердый материал электролита, используемый для твердотельной батареи, может быть пронизан литием, который является очень мягким металлом, во время процесса. зарядки и разрядки аккумулятора, поскольку ионы лития перемещаются между двумя сторонами.
Это перемещение ионов взад и вперед вызывает изменение объема электродов. Это неизбежно вызывает напряжения в твердом электролите, который должен оставаться в полном контакте с обоими электродами, между которыми он зажат. «Чтобы отложить этот металл, необходимо увеличить объем, потому что вы добавляете новую массу», — говорит Чанг. «Итак, на той стороне элемента, где осаждается литий, происходит увеличение объема. И если присутствуют даже микроскопические дефекты, это создаст давление на эти дефекты, которое может вызвать растрескивание».
Эти напряжения, как теперь показала команда, вызывают трещины, которые позволяют формироваться дендритам. Решение проблемы оказывается в большем напряжении, приложенном в правильном направлении и с нужной силой.
Хотя ранее некоторые исследователи думали, что дендриты образуются в результате чисто электрохимического, а не механического процесса, эксперименты группы показывают, что проблема возникает из-за механических напряжений.
Процесс формирования дендритов обычно происходит глубоко внутри непрозрачных материалов аккумуляторной батареи и не может наблюдаться напрямую, поэтому Финчер разработал способ изготовления тонких элементов с использованием прозрачного электролита, позволяющий непосредственно наблюдать и записывать весь процесс. «Вы можете увидеть, что происходит, когда вы оказываете давление на систему, и вы можете видеть, ведут ли себя дендриты таким образом, который соизмерим с процессом коррозии или процессом разрушения», — говорит он.
Команда продемонстрировала, что они могут напрямую управлять ростом дендритов, просто применяя и отпуская давление, заставляя дендриты двигаться зигзагами в идеальном соответствии с направлением силы.
Приложение механических напряжений к твердому электролиту не устраняет образование дендритов, но регулирует направление их роста. Это означает, что их можно направить так, чтобы они оставались параллельными двум электродам, и предотвратить их пересечение на другую сторону, и, таким образом, обезвредить их.
В своих тестах исследователи использовали давление, вызванное изгибом материала, который был сформирован в виде балки с грузом на одном конце. Но они говорят, что на практике может быть много разных способов вызвать необходимый стресс. Например, электролит может быть изготовлен из двух слоев материала с разной степенью теплового расширения, так что материалу присущ изгиб, как это происходит в некоторых термостатах.
Другой подход состоял бы в том, чтобы «легировать» материал атомами, которые внедрялись бы в него, искажая его и оставляя в постоянно напряженном состоянии. Это тот же метод, который используется для производства сверхтвердого стекла, используемого в экранах смартфонов и планшетов, объясняет Чанг. И необходимое давление не является экстремальным: эксперименты показали, что давления от 150 до 200 мегапаскалей было достаточно, чтобы дендриты не пересекали электролит.
Требуемое давление «соизмеримо с напряжениями, которые обычно возникают в коммерческих процессах выращивания пленки и во многих других производственных процессах », поэтому его не должно быть сложно реализовать на практике, добавляет Финчер.
На самом деле, к элементам батареи часто применяется другой тип напряжения, называемый давлением стопы, путем сдавливания материала в направлении, перпендикулярном пластинам батареи, что немного похоже на сжатие бутерброда, когда на него кладут груз. Считалось, что это может помочь предотвратить разделение слоев. Но теперь эксперименты показали, что давление в этом направлении на самом деле усугубляет образование дендритов . «Мы показали, что этот тип давления в стопке на самом деле ускоряет разрушение, вызванное дендритами», — говорит Финчер.
Вместо этого нужно давление вдоль плоскости пластин, как будто бутерброд сжимают с боков. «В этой работе мы показали, что когда вы прикладываете сжимающую силу, вы можете заставить дендриты двигаться в направлении сжатия», — говорит Финчер, и если это направление лежит вдоль плоскости пластин, дендриты «будут двигаться». никогда не переходи на другую сторону».
Это, наконец, может сделать практичным производство батарей с использованием твердого электролита и металлических литиевых электродов. Они не только будут содержать больше энергии при заданном объеме и весе, но и устранят необходимость в жидких электролитах, которые являются легковоспламеняющимися материалами.
Продемонстрировав основные принципы, следующим шагом команды будет попытка применить их для создания функционального прототипа батареи, говорит Чанг, а затем выяснить, какие именно производственные процессы потребуются для производства таких батарей в больших количествах.
Хотя они подали заявку на патент, исследователи не планируют коммерциализировать систему самостоятельно, говорит он, поскольку уже есть компании, работающие над разработкой твердотельных батарей. «Я бы сказал, что это понимание режимов отказа в твердотельных батареях, о котором, по нашему мнению, индустрия должна знать и пытаться использовать при разработке более качественных продуктов», — говорит он.
В исследовательскую группу входили Христос Афанасиу и Брайан Шелдон из Университета Брауна, а также Колин Гилгенбах, Майкл Ван и У. Крейг Картер из Массачусетского технологического института.
