Новое исследование, проведенное учеными из Стэнфордского университета, открывает путь к созданию более качественных и безопасных литий-металлических батарей.

Близкие родственники перезаряжаемых литий-ионных элементов, широко используемых в портативной электронике и электромобилях , литий-металлические батареи имеют огромные перспективы в качестве устройств хранения энергии следующего поколения. По сравнению с литий-ионными устройствами, литий-металлические батареи содержат больше энергии, быстрее заряжаются и значительно меньше весят.

Однако на сегодняшний день коммерческое использование перезаряжаемых литий-металлических батарей ограничено. Основная причина — образование «дендритов» — тонких металлических древовидных структур, которые растут по мере накопления металлического лития на электродах внутри батареи. Эти дендриты снижают производительность батареи и в конечном итоге приводят к отказу, который в некоторых случаях может даже привести к опасному возгоранию.

Новое исследование подошло к этой проблеме дендритов с теоретической точки зрения. Как описано в статье, опубликованной в Journal of The Electrochemical Society, исследователи из Стэнфорда разработали математическую модель , которая объединяет физику и химию, участвующие в формировании дендритов.

Эта модель позволила понять, что замена новых электролитов — среды, через которую ионы лития перемещаются между двумя электродами внутри батареи — с определенными свойствами может замедлить или даже полностью остановить рост дендритов.

«Цель нашего исследования — помочь разработать литий-металлические батареи с более длительным сроком службы», — сказал ведущий автор исследования Вэйю Ли, доктор философии. студент в области инженерии энергетических ресурсов под руководством профессоров Даниэля Тартаковского и Хамди Челепи. «Наша математическая структура учитывает ключевые химические и физические процессы в литий-металлических батареях в соответствующем масштабе».

«Это исследование предоставляет некоторые конкретные сведения об условиях, при которых могут формироваться дендриты, а также о возможных путях подавления их роста», — сказал соавтор исследования Челепи, профессор инженерии энергетических ресурсов Стэнфордской школы Земли, энергетики и энергетики. Науки об окружающей среде (Стэнфордская Земля).

Направление для дизайна

Экспериментаторы давно пытались понять факторы, приводящие к образованию дендритов, но лабораторная работа трудоемка, и результаты оказались трудными для интерпретации. Признавая эту проблему, исследователи разработали математическое представление внутренних электрических полей батарей и транспорта ионов лития через материал электролита, наряду с другими соответствующими механизмами.

Имея на руках результаты исследования, экспериментаторы могут сосредоточиться на физически правдоподобных сочетаниях материалов и архитектуры. «Мы надеемся, что другие исследователи смогут использовать это руководство из нашего исследования для разработки устройств, обладающих нужными свойствами и уменьшающих диапазон экспериментальных вариаций методом проб и ошибок, которые им приходится выполнять в лаборатории», — сказал Челепи.

В частности, новые стратегии проектирования электролитов, предложенные в исследовании, включают поиск материалов, которые являются анизотропными, что означает, что они проявляют разные свойства в разных направлениях. Классическим примером анизотропного материала является древесина, которая прочнее в направлении волокон, видимых в виде линий на древесине, а не против волокон. В случае анизотропных электролитов эти материалы могут регулировать сложное взаимодействие между переносом ионов и межфазной химией, препятствуя накоплению, которое приводит к образованию дендритов. Исследователи предполагают, что некоторые жидкие кристаллы и гели обладают этими желаемыми характеристиками.

Другой подход, выявленный в исследовании, основан на сепараторах батарей — мембранах, которые предотвращают касание и короткое замыкание электродов на противоположных концах батареи. Могут быть разработаны новые типы сепараторов, которые имеют поры, которые заставляют ионы лития проходить вперед и назад через электролит анизотропным образом.

Сборка и тестирование

Команда с нетерпением ждет, когда другие ученые-исследователи разберутся в «зацепках», выявленных в их исследовании. Эти следующие шаги будут включать производство реальных устройств, основанных на новых экспериментальных составах электролитов и архитектуре аккумуляторов, а затем тестирование того, что может оказаться эффективным, масштабируемым и экономичным.

«Огромное количество исследований проводится в области проектирования материалов и экспериментальной проверки сложных аккумуляторных систем, и в целом математические основы, подобные той, которую возглавил Вейю, в этих усилиях в значительной степени отсутствуют», — сказал соавтор Тартаковский, профессор инженерии энергетических ресурсов . в Стэнфорде.

Следуя этим последним результатам, Тартаковский и его коллеги работают над созданием полноценного виртуального представления — известного как «цифровой аватар» — систем литий-металлических батарей или DABS.

«Это исследование является ключевым строительным блоком DABS, всеобъемлющего «цифрового аватара» или копии литий-металлических батарей, которые разрабатываются в нашей лаборатории», — сказал Тартаковский. «Благодаря DABS мы продолжим совершенствовать эти многообещающие накопители энергии».