Команда ученых-материаловедов и химиков определила надлежащее давление в блоке, которому должны подвергаться литий-металлические батареи или LMB во время работы от батареи, чтобы обеспечить оптимальную производительность.
Эта команда, в которую входят исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего, Университета штата Мичиган, Национальной лаборатории Айдахо и Центра исследований и разработок General Motors, представляет свои выводы в выпуске журнала Nature Energy от 18 октября.
Использование металлического лития для замены графита в анодах аккумуляторов является конечной целью части исследований и разработок аккумуляторов; эти литий-металлические батареи (LMB) могут удвоить емкость лучших современных литий-ионных технологий. Например, электромобили с литий-металлическими батареями будут иметь вдвое больший запас хода, чем автомобили с литий-ионными батареями, при том же весе батареи.
Несмотря на это преимущество перед литий-ионными батареями, LMB не считаются жизнеспособным вариантом для питания электромобилей или электроники из-за их короткого срока службы и потенциальных угроз безопасности, особенно коротких замыканий, вызванных ростом литиевых дендритов. Исследователи и технологи заметили, что воздействие давления на LMB во время циклов работы от батареи повышает производительность и стабильность, помогая решить эту проблему, связанную с продолжительностью жизни. Но причины этого так и не были полностью поняты.
«Мы не только ответили на этот научный вопрос, но и определили необходимое оптимальное давление», - сказала Ширли Менг, профессор кафедры наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего и старший автор статьи. «Мы также предложили новые протоколы тестирования для максимальной производительности LMB».
В исследовании Nature Energy исследователи использовали несколько методов характеристики и визуализации для изучения морфологии LMB и количественной оценки производительности, когда батареи подвергались различному давлению.
Они обнаружили, что более высокие уровни давления вынуждают частицы лития осаждаться аккуратными столбиками, без каких-либо пористых пространств между ними. Давление, необходимое для достижения этого результата, составляет 350 кПа (примерно 3,5 атмосферы). Напротив, батареи, подвергающиеся более низким уровням давления, являются пористыми, и частицы лития откладываются беспорядочно, оставляя место для роста дендритов.
Исследователи также показали, что этот процесс не влияет на межфазную структуру твердого электролита (SEI) электролитов аккумуляторов.
Но производственные мощности для LMB должны быть переоснащены для применения этой новой технологии.
Еще один способ повысить производительность - не разряжать аккумулятор полностью во время его работы. Вместо этого исследователи держат резервуар с литием, где может произойти повторное зародышеобразование.
Выводы исследователей были проверены в Центре исследований и разработок General Motors в Мичигане.
Отдельно исследователи из Национальной лаборатории Айдахо используют моделирование молекулярной динамики, чтобы понять диапазон давления дымовой трубы, используемый в этой работе, который намного меньше ожидаемого на основе макроскопических механических моделей. Исследователи объяснили механистическое происхождение этого уникального процесса.
«Научно-исследовательские институты должны продолжать сотрудничать с национальными лабораториями и предприятиями для решения практических проблем в области аккумуляторов», - сказала Чэнчэн Фан, первый автор статьи, получившая степень доктора философии. в исследовательской группе Мэн и сейчас работает на факультете Мичиганского государственного университета.
Отложение и растворение лития в литий-металлических батареях под давлением
Chengcheng Fang, Bingyu Lu, Minghao Zhang, Diyi Cheng, Miguel Ceja, Jean-Marie Doux и Y. Shirley Meng, факультет наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего
Chengcheng Fang, Факультет химического машиностроения и материаловедения, Университет штата Мичиган
Горакх Павар и Борьянн Лиау, Энергетика и экологические науки и технологии, Национальная лаборатория Айдахо
Шуру Чен и Мэй Цай, Центр исследований и разработок General Motors