Новое исследование, проведенное инженерами из Массачусетского технологического института и других организаций, может привести к созданию аккумуляторов, способных обеспечивать большую мощность на фунт и служить дольше, основываясь на давней цели использования чистого металлического лития в качестве одного из двух электродов аккумулятора, анода..
Новая концепция электродов разработана в лаборатории Джу Ли, профессора ядерной науки и инженерии Battelle Energy Alliance, а также профессора материаловедения и инженерии. Он описан в журнале Nature в статье, написанной в соавторстве с Юмином Ченом и Цзыцяном Ваном из Массачусетского технологического института, а также с 11 другими учеными из Массачусетского технологического института, а также из Гонконга, Флориды и Техаса.
Эта конструкция является частью концепции разработки безопасных полностью твердотельных аккумуляторов, позволяющих обойтись без жидкого или полимерного геля, обычно используемого в качестве электролита между двумя электродами аккумулятора. Электролит позволяет ионам лития перемещаться туда и обратно во время циклов зарядки и разрядки батареи, и полностью твердая версия может быть безопаснее, чем жидкие электролиты, которые имеют высокую летучесть и были источником взрывов в литиевых батареях.
«Было много работы над твердотельными батареями с литий-металлическими электродами и твердыми электролитами», - говорит Ли, но эти усилия столкнулись с рядом проблем.
Одна из самых больших проблем заключается в том, что когда батарея заряжается, атомы накапливаются внутри металлического лития, вызывая его расширение. Затем металл снова сжимается во время разряда по мере использования батареи. Эти повторяющиеся изменения размеров металла, напоминающие процесс вдоха и выдоха, мешают твердым телам поддерживать постоянный контакт и приводят к разрушению или отделению твердого электролита.
Еще одна проблема заключается в том, что ни один из предлагаемых твердых электролитов не является действительно химически стабильным при контакте с высокореакционноспособным металлическим литием, и они имеют тенденцию к разложению со временем.
Большинство попыток решить эти проблемы были сосредоточены на разработке материалов с твердым электролитом, абсолютно устойчивых к металлическому литию, что оказалось трудным. Вместо этого Ли и его команда приняли необычный дизайн, в котором используются два дополнительных класса твердых тел: «смешанные ионно-электронные проводники» (MIEC) и «электронные и литий-ионные изоляторы» (ELI), которые абсолютно химически стабильны при контакте с литием. металл.
Исследователи разработали трехмерную наноархитектуру в виде сотового массива шестиугольных трубок MIEC, частично заполненных твердым металлическим литием для формирования одного электрода батареи, но с дополнительным пространством внутри каждой трубки.. Когда литий расширяется в процессе зарядки, он перетекает в пустое пространство внутри трубок, двигаясь подобно жидкости, хотя и сохраняет свою твердую кристаллическую структуру. Этот поток, полностью заключенный внутри сотовой структуры, сбрасывает давление из-за расширения, вызванного зарядкой, но без изменения внешних размеров электрода или границы между электродом и электролитом. Другой материал, ELI, служит важным механическим связующим звеном между стенками MIEC и слоем твердого электролита.
«Мы разработали эту структуру, которая дает нам трехмерные электроды, подобные сотам», - говорит Ли. Пустоты в каждой трубке конструкции позволяют литию «ползти назад» в трубки, «и таким образом он не создает напряжения, которое может привести к растрескиванию твердого электролита». Расширяющийся и сжимающийся литий внутри этих трубок движется внутрь и наружу, подобно поршням автомобильного двигателя внутри цилиндров. Поскольку эти структуры построены в наноразмерах (диаметр трубок составляет от 100 до 300 нанометров, а высота - десятки микрон), результат подобен «двигателю с 10 миллиардами поршней, с металлическим литием в качестве рабочей жидкости». говорит.
Поскольку стенки этих сотовых структур сделаны из химически стабильного MIEC, литий никогда не теряет электрического контакта с материалом, говорит Ли. Таким образом, вся твердая батарея может оставаться механически и химически стабильной во время циклов использования. Команда экспериментально доказала эту концепцию, проведя тестовое устройство через 100 циклов зарядки и разрядки без какого-либо разрушения твердых тел.
Ли говорит, что, хотя многие другие группы работают над тем, что они называют твердыми батареями, большинство этих систем на самом деле лучше работают с жидким электролитом, смешанным с твердым электролитом. «Но в нашем случае, - говорит он, - все действительно солидно. В нем нет ни жидкости, ни геля."
Новая система может привести к безопасным анодам, которые весят всего в четверть меньше, чем их обычные аналоги в литий-ионных батареях, при той же емкости. В сочетании с новыми концепциями облегченных версий другого электрода, катода, эта работа может привести к существенному снижению общего веса литий-ионных аккумуляторов. Например, команда надеется, что это может привести к тому, что мобильные телефоны можно будет заряжать только раз в три дня, не делая телефоны тяжелее или громоздче.
Одна новая концепция более легкого катода была описана другой командой под руководством Ли в статье, опубликованной в прошлом месяце в журнале Nature Energy, в соавторстве с постдоком Массачусетского технологического института Чжи Чжу и аспирантом Дайвэй Ю. Этот материал позволит сократить использование никеля и кобальта, которые дороги и токсичны и используются в современных катодах. Новый катод зависит не только от вклада этих переходных металлов в емкость при циклировании батареи. Вместо этого он будет больше полагаться на окислительно-восстановительную способность кислорода, который намного легче и более распространен. Но при этом ионы кислорода становятся более подвижными, что может привести к их выходу из катодных частиц. Исследователи использовали высокотемпературную обработку поверхности расплавленной солью, чтобы создать защитный поверхностный слой на частицах оксида металла, богатого марганцем и литием, поэтому потери кислорода резко сократились..
Несмотря на то, что поверхностный слой очень тонкий, всего от 5 до 20 нанометров толщиной на частице шириной 400 нанометров, он обеспечивает хорошую защиту нижележащего материала. «Это почти как иммунизация», - говорит Ли, против разрушительных последствий потери кислорода в батареях, используемых при комнатной температуре. Существующие версии обеспечивают как минимум 50-процентное улучшение количества энергии, которое может быть сохранено для заданного веса, с гораздо лучшей циклической стабильностью.
На данный момент команда построила только небольшие устройства лабораторного масштаба, но «я ожидаю, что их можно очень быстро масштабировать», - говорит Ли. Необходимые материалы, в основном марганец, значительно дешевле никеля или кобальта, используемых в других системах, поэтому эти катоды могут стоить всего в пять раз дешевле, чем обычные версии.
В исследовательские группы входили исследователи из Массачусетского технологического института, Гонконгского политехнического университета, Университета Центральной Флориды, Техасского университета в Остине, Национальных лабораторий Брукхейвена в Аптоне, штат Нью-Йорк. Работа выполнена при поддержке Национального научного фонда.