Результаты, изданные 17 июня по своей природе Коммуникации, могли помочь снять главный барьер к развивающимся батареям литиевой серы и литиевого воздуха, многообещающие будущие технологии, которые могли сохранить до 10 раз больше энергии за вес, чем батареи, теперь используемые в бытовой электронике и электромобилях.«Поскольку эти батареи были бы намного легче, чем сегодняшние аккумуляторы, у них есть большой потенциал для электромобилей расширенного диапазона», сказал И Цуй, адъюнкт-профессор в Стэнфордском университете и Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики. «Но одной из вещей, это сдерживало их, является их тенденция сформировать дендриты, которые являются также преступником позади перегревания и случайных огней в сегодняшних литий-ионных аккумуляторах».
Новый подход к безопасностиДендриты формируются, когда электрод батареи ухудшается, и металлические ионы становятся депонированными на поверхности электрода. Когда те подобные пальцу депозиты удлиняются, пока они не проникают через барьер между двумя половинами батареи, они могут вызвать электрические шорты, перегрев и огни.
В предыдущем исследовании, опубликованном в прошлом октябре, Цуй и его коллеги сообщили, что они разработали «умный» литий-ионный аккумулятор, что чувства, когда дендриты начинают прокалывать барьер так батарея, могут быть заменены, прежде чем ситуация становится опасной. Это могло предложить решение для миллионов батарей теперь в использовании в сотовых телефонах, ноутбуках и других устройствах, а также в электромобилях и самолетах.
Новое исследование обращается к технологиям батареи, которые еще не достигли рынка, и это проявляет другой подход: добавление химикатов к электролиту, чтобы предотвратить древовидное формирование. Один комплекс, литиевый нитрат, расследовался в течение долгого времени как добавка, чтобы улучшить работу батареи. Другой, литиевый полисульфид, считался неприятностью: Сформированный, когда электрод серы ухудшается, он едет в литиевый металлический электрод и разрушает его, сказал Цуй.
В мозговых штурмах исследовательская группа поняла, что их совместное воздействие не было изучено прежде; вместе химикаты могли потенциально реагировать с литиевым металлом, чтобы сформировать стабильный, твердый интерфейс между электродом и электролитом.Улучшенная работаОни собрали батареи клетки монеты, подобные тем, что калькуляторы власти, дистанционные управления и часы, и добавили различные концентрации этих двух химикатов к основанному на эфире электролиту. Тогда они управляли теми батареями через многие циклы обвинения/выброса, демонтировали их и исследовали электроды с электронным микроскопом и методом рентгена, который показывает их морфологию и химический состав.
Они нашли, что, включая оба химиката просто правильные суммы остановили литиевое древовидное формирование; безопасные подобные блину депозиты выросли там вместо этого. Литиевый металл приобрел стабильное покрытие, которое помогло защитить его от дальнейшей деградации и на самом деле улучшило работу батареи.
В тестах батареи с обоими химикатами добавили управляемый в 99-процентной эффективности больше чем после 300 циклов выброса обвинения, по сравнению со значительно уменьшенной эффективностью после того, как 150 циклов для батарей отнеслись с одним только литиевым нитратом, сказала Фиона (Weiyang) Ли, постдокторский исследователь в лаборатории Цуя и первый автор статьи.Использование совместных действий«Это – действительно увлекательное наблюдение», сказала она. «Мы делали эксперименты все время с этими двумя химикатами там, но это было первым разом, когда мы посмотрели на синергетический эффект.
Это не полностью решает все проблемы, связанные с литиевыми металлическими батареями, но это – важный шаг».Все-же-Ming Чанг, преподаватель в Массачусетском технологическом институте, сотрудничал с командой и помог им интерпретировать свои результаты. Он сказал, что следующий шаг должен видеть, может ли этот подход предотвратить древовидное формирование в клетках более широкого масштаба, которые ближе к тому, чтобы быть практическими батареями.
Это может также работать на электроды, сделанные из других металлов, такие как магний, кальций или алюминий, у которых также есть потенциал для хранения намного большего количества энергии, чем сегодняшние батареи.«Предотвращение древовидного формирования будет ключевым для их успеха», сказал Чанг.
Финансирование для проекта было обеспечено Совместным Центром Исследования Аккумулирования энергии, Инновационного Центра Министерства энергетики, и Цуй и Чанг – оба научные руководители JCESR.