Разработана новая технология аккумуляторных батарей, обеспечивающая значительно больший запас энергии — достаточный для решения проблем, связанных с запасом хода электромобилей, — при одновременном снижении риска теплового разгона и взрыва.

Исследовательская группа POSTECH разработала гибридный анод нового поколения, который использует внешнее магнитное поле для регулирования переноса ионов лития, эффективно подавляя рост дендритов в электродах с высокой плотностью энергии.

Исследовательская группа POSTECH под руководством профессора Вон Бэ Кима с кафедры химической инженерии и Высшей школы аккумуляторных технологий, совместно с доктором Сон Кю Каном и аспирантом Минхо Кимом, разработала стратегию « магнитоконверсии », которая предполагает приложение внешнего магнитного поля к ферромагнитным марганцевым ферритовым анодам конверсионного типа.

Результаты исследования опубликованы в журнале Energy & Environmental Science.

Проблемы безопасности и емкости батарей

По мере стремительного расширения рынков электромобилей и крупномасштабных систем хранения энергии перед аккумуляторной промышленностью встает насущная задача: разработка батарей, способных хранить больше энергии, оставаясь при этом безопасными.

Литиевые металлические аноды обладают исключительно высокой теоретической емкостью, но при многократной зарядке они склонны к образованию острых игольчатых дендритов, которые могут проткнуть сепаратор, вызвать внутренние короткие замыкания и спровоцировать пожары или взрывы. В то же время, традиционные графитовые аноды, широко используемые в настоящее время, имеют присущие им ограничения по емкости, что делает необходимыми технологии анодов следующего поколения.

Как работает стратегия магнитопреобразования

Идея была проста: «Если магнит может выравнивать железные опилки, почему бы не использовать его для организации потока ионов лития?»

При внедрении лития в марганцевый ферритовый анод образуются ферромагнитные металлические наночастицы. Под действием приложенного магнитного поля эти наночастицы выстраиваются внутри электрода подобно крошечным магнитам. Такое выравнивание обеспечивает более равномерное распределение ионов лития по поверхности, предотвращая их концентрацию в определенных областях.

В ходе этого процесса сила Лоренца — сила, действующая на заряженные частицы в магнитном поле, — дополнительно рассеивает ионы лития, способствуя равномерному переносу. В результате, вместо образования опасных дендритов, на аноде формируется гладкий, плотный и однородный слой осажденного металлического лития.

Кроме того, анод функционирует как гибридная система , накапливая литий как внутри оксидной матрицы, так и в виде металлического лития, осажденного на поверхности.

Этот двойной механизм обеспечивает емкость хранения энергии примерно в четыре раза выше, чем у коммерческих графитовых анодов, при этом сохраняя стабильные циклы заряда-разряда без образования дендритов. Примечательно, что батарея поддерживала кулоновскую эффективность выше 99% на протяжении более 300 циклов, демонстрируя превосходную долговременную стабильность.

Последствия для батарей следующего поколения

Профессор Вон Бэ Ким, возглавлявший исследование, заявил: «Этот подход одновременно решает две самые большие проблемы литий-металлических анодов — нестабильность и образование дендритов. Он представляет собой новый путь к созданию более безопасных и надежных литий-металлических батарей».

«Мы ожидаем, что эта технология послужит основой для повышения емкости, срока службы и скорости зарядки батарей следующего поколения».