Более безопасные литиево-ионные батареи, оснащенные наноалмазами
Теперь мы знаем, что образование дендритов стало причиной того, что литий-ионные аккумуляторы Samsung в прошлом году работали неправильно. Исследования Университета Дрекселя и Университета Цинхуа нашли способ смягчить эту проблему, открыв двери для более безопасных батарей в будущих поколениях мобильных устройств.
Литий-ионные аккумуляторы стали стандартом в портативных электронных устройствах и, по большей части, люди привыкли к тому, чтобы иметь возможность использовать их устройства для длительного использования. Это привело к довольно интересной проблеме, когда более новая электроника, которая меньше и обычно требует большей мощности, имеет меньше места для обеспечения этой мощности.
Литиево-ионные батареи действительно предлагают требуемую энергию, наряду с огромным количеством циклов зарядки, однако они сталкиваются с проблемами, поскольку мы уменьшаем их размер.
После фиаско Galaxy S7 от Samsung было проведено немало исследований, посвященных взрывам ионно-литиевых батарей. Было обнаружено, что дендриты, которые в литий-ионных батареях представляют собой микроскопические волокна лития, которые распространяются через электролит. Эти волокна обычно формируются после множества циклов зарядки и, тем более, когда аккумулятор проходит оперативную зарядку и разрядку. Если бы эти волокна росли слишком быстро, они могли бы пробить барьер электролита и вызвать короткое замыкание на другом электроде.
Эти два изображения показывают образование дендритов. Все изображения предоставлены Nature Communications (CC-BY 4.0). Над изображением обрезано изображение большего размера
Предотвращение образования дендритов с наноалмазами
Для решения проблемы дендритов исследователи разработали кожух графитового электрода и наполнили его литием, чтобы предотвратить их образование. Хотя это и помогло решить проблемы безопасности, оно препятствовало влиянию производительности батареи на такие факторы, как хранение энергии, которые могут быть уменьшены в десять раз по сравнению с чистыми литиевыми батареями.
Команда исследователей, возглавляемая Юрием Гогоци и состоящая из членов Университета Дрекселя в Филадельфии и Университета Цинхуа в Пекине, разработала решение для электролитов с добавлением наноалмазов, которые могут существенно повлиять на будущий дизайн батареи. Усилия исследовательской группы были сосредоточены на создании единого литиевого покрытия и общего более стабильного литиевого анода.
В области гальванической промышленности уже используются свойства наноалмазов для создания более однородного покрытия. При нанесении на наноалмазы имеют тенденцию скользить вместе, чтобы создать однородную и гладкую поверхность. Исследовательская группа проверила электрод с покрытием из наноалмаза, добавив к электроду общепринятый раствор электролита. Было обнаружено, что ионы лития из раствора электролита способны равномерно связываться с осаждением электрода из-за поверхности наноалмаза, имеющей барьер с низкой диффузионной энергией. В результате были получены однородные отложения лития, а не длинные дендриты.
Добавлен раствор электролита с (правым) и без (слева) наноалмазами
Команда провела испытания на батарее с покрытием из наноалмаза и обнаружила, что она полностью предотвратила образование дендритов до 100 циклов заряда с 200-часовой продолжительностью. В то время как цикл зарядки намного ниже стандартов наших современных телефонов и ноутбуков, предполагается провести дополнительные исследования, которые могут привести к модифицированному подходу, приводящему к повышению производительности литиевых батарей с электрохимическим усилением.
В настоящее время исследователи работают над тестированием различных аккумуляторных батарей с различными циклами заряда, чтобы полностью обеспечить подавление дендрита. Гогоци отметил, что потребуются дополнительные меры предосторожности, такие как безопасные материалы для электродов, чтобы полностью защитить аккумулятор.
«Безопасность батареи - ключевой вопрос для этого исследования», - сказал Гогоци. «Маленькие первичные батареи в часах используют литиевые аноды, но они только разряжаются один раз. Когда вы начинаете заряжать их снова и снова, дендриты начинают расти. Может быть несколько безопасных циклов, но рано или поздно произойдет короткое замыкание. устранить или хотя бы свести к минимуму эту возможность ».
Оригинальную статью можно найти в журнале Nature Communications.