Совершив прорыв, исследователи из Индийского института науки (IISc) и их сотрудники обнаружили, как выходят из строя твердотельные батареи следующего поколения, и разработали новую стратегию, позволяющую продлить срок службы этих батарей и ускорить их зарядку.
Твердотельные батареи готовы заменить литий-ионные батареи, которые есть почти в каждом портативном электронном устройстве. Но при повторном или чрезмерном использовании они образуют тонкие нити, называемые «дендритами», которые могут закоротить батареи и сделать их бесполезными.
В новом исследовании, опубликованном в Nature Materials, исследователи определили основную причину образования этого дендрита — появление микроскопических пустот в одном из электродов на ранней стадии. Они также показывают, что добавление тонкого слоя некоторых металлов на поверхность электролита значительно замедляет образование дендритов, продлевая срок службы батареи и позволяя заряжать ее быстрее.
Обычные литий-ионные батареи — такие, которые вы можете найти в своем смартфоне или ноутбуке, — содержат жидкий электролит , зажатый между положительно заряженным электродом (катодом), изготовленным из оксида переходного металла (например, железа и кобальта), и отрицательно заряженным электродом ( анод) из графита. Когда батарея заряжается и разряжается (используя энергию), ионы лития перемещаются между анодом и катодом в противоположных направлениях. У этих батарей есть серьезная проблема безопасности — жидкий электролит может загореться при высоких температурах. Графит также хранит гораздо меньше заряда, чем металлический литий.
Таким образом, многообещающей альтернативой являются твердотельные батареи , в которых жидкость заменяется твердым керамическим электролитом, а графит заменяется металлическим литием. Керамические электролиты еще лучше работают при более высоких температурах, что особенно полезно в тропических странах, таких как Индия. Литий также легче и хранит больше заряда, чем графит, что может значительно снизить стоимость батареи.
«К сожалению, когда вы добавляете литий, он образует эти нити, которые врастают в твердый электролит и замыкают анод и катод», — объясняет Нага Фани Аэтукури, доцент кафедры твердотельной и структурной химии (SSCU) и автор-корреспондент.
Чтобы исследовать это явление, доктор философии Аетукури. Студент Викалп Радж искусственно индуцировал образование дендритов, многократно заряжая сотни аккумуляторных элементов , вырезая тонкие срезы поверхности раздела литий-электролит и изучая их под сканирующим электронным микроскопом. Присмотревшись к этим участкам, команда поняла, что что-то происходило задолго до образования дендритов — во время разряда в литиевом аноде образовывались микроскопические пустоты. Команда также подсчитала, что токи, сосредоточенные на краях этих микроскопических пустот, были примерно в 10 000 раз больше, чем средние токи через элемент батареи, что, вероятно, создавало нагрузку на твердый электролит и ускоряло образование дендритов.
«Это означает, что теперь наша задача сделать очень хорошие аккумуляторы очень проста», — говорит Аетукури. «Все, что нам нужно, это убедиться, что пустоты не образуются».
Для этого исследователи ввели между литиевым анодом и твердым электролитом сверхтонкий слой тугоплавкого металла — металла, стойкого к нагреву и износу. «Слой тугоплавкого металла защищает твердый электролит от напряжения и в определенной степени перераспределяет ток», — говорит Аетукури. Он и его команда сотрудничали с исследователями из Университета Карнеги-Меллона в США, которые провели вычислительный анализ, который ясно показал, что слой тугоплавкого металла действительно задерживает рост микроскопических пустот лития.
Приложение экстремального давления , которое может прижать литий к твердому электролиту , может предотвратить образование пустот и замедлить образование дендритов, но это может оказаться непрактичным для повседневного применения. Другие исследователи также предложили идею использования таких металлов, как алюминий, которые сплавляются или хорошо смешиваются с литием на границе раздела. Но со временем этот металлический слой смешивается с литием, становясь неразличимым, и не препятствует образованию дендритов . «Мы говорим о другом, — объясняет Радж. «Если вы используете такой металл, как вольфрам или молибден, который не сплавляется с литием , производительность, которую вы получаете от элемента, становится еще лучше».
Исследователи говорят, что полученные результаты являются важным шагом вперед в реализации практических и коммерческих твердотельных батарей. Их стратегия также может быть распространена на другие типы батарей, которые содержат такие металлы, как натрий, цинк и магний.
