Юрий Гогоци, доктор философии, Выдающийся преподаватель Университета и Баха в Колледже Разработки и его исследовательской группе от Отдела Материаловедения и Разработки, недавно издал их работу – названный «Наноалмазы, Подавляют Рост Литиевых Дендритов» – в журнале Nature Communications. В нем они описывают процесс, которым наноалмазы – крошечные алмазные частицы, в 10,000 раз меньшие, чем диаметр волоска – сокращают электрохимическое смещение, названное металлизацией, которая может привести к опасному срыванию литий-ионных аккумуляторов.Поскольку батареи используются и заряжаются, электрохимические результаты реакции в движении ионов между двумя электродами батареи, которая является сущностью электрического тока.
Со временем это менять местоположение ионов может создать подобное усику наращивание – почти как сталактиты, формирующиеся в пещере. Это наращивание батареи, названное дендритами, является одной из главных причин литиевого сбоя батареи.
Поскольку дендриты формируются в батарее со временем, они могут достигнуть точки, где они проталкивают сепаратор, пористый фильм полимера, который предотвращает положительно заряженную часть батареи от касания отрицательно заряженной части. Когда сепаратор нарушен, короткое замыкание может произойти, который может также привести к огню, так как решение для электролита в большинстве литий-ионных аккумуляторов очень огнеопасно.Чтобы избежать древовидного формирования и минимизировать вероятность огня, текущие проекты батареи включают один электрод, сделанный из графита, заполненного литием вместо чистого лития.
Использование графита как хозяин к литию предотвращает формирование дендритов. Но литий вставился, графит также хранит приблизительно в 10 раз меньше энергии, чем чистый литий. Прогресс, добитый командой Гоготси, означает, что большое увеличение аккумулирования энергии возможно, потому что древовидное формирование может быть устранено в чистых литиевых электродах.
«Безопасность батареи – ключевой вопрос для этого исследования», сказал Гоготси. «Маленькие основные батареи в часах используют литиевые аноды, но они только освобождены от обязательств однажды. Когда Вы начинаете обвинять их снова и снова, дендриты начинают расти.
Может быть несколько безопасных циклов, но рано или поздно короткое замыкание произойдет. Мы хотим устранить или, по крайней мере, минимизировать ту возможность».Gogotsi и его сотрудники из Университета Цинхуа в Пекине и Университета Хаучжуна Науки и техники в Ухани, Китай, сосредоточили их работу над созданием литиевых анодов более стабильная и литиевая металлизация, более однородная так, чтобы дендриты не росли.Они делают это, добавляя наноалмазы к решению для электролита в батарее.
Наноалмазы использовались в промышленности гальванопокрытия в течение некоторого времени как способ сделать металлические покрытия более однородными. В то время как они очень, намного меньше – и более дешевый – чем алмазы Вы нашли бы в случае ювелира, наноалмазы все еще сохраняют регулярную структуру и форму их дорогих прародителей. Когда они депонированы, они естественно скользят вместе, чтобы сформировать гладкую поверхность.
Исследователи нашли эту собственность быть чрезвычайно полезными для устранения древовидного формирования. В газете они объясняют, что литиевые ионы могут легко быть свойственны наноалмазам, поэтому когда они обшивают электрод металлическим листом, они делают так тем же самым организованным способом как наноалмазные частицы, с которыми они связаны. Они сообщают в газете, что смешивание наноалмазов в решение для электролита литий-ионного аккумулятора замедляет древовидное формирование к нолю через 100 циклов выброса обвинения.
Если Вы думаете об этом как игра в Тетрис, та груда несогласованных блоков, медленно двигающихся рискованно близко к «игра закончена», является эквивалентом дендрита. Добавление наноалмазов к соединению отчасти похоже на использование чит-кода, который двигает каждый новый блок в надлежащее место, чтобы закончить линию и препятствовать тому, чтобы угрожающая башня формировалась.
Гоготси отмечает, что открытие его группы – только начало процесса, который мог в конечном счете видеть, что добавки электролита, как наноалмазы, широко раньше производили безопасные литиевые батареи с высокой плотностью энергии. Начальные результаты уже показывают стабильную езду на велосипеде выброса обвинения столько, сколько 200 часов, который достаточно длинен для использования в некотором промышленном применении или военных применениях, но совсем не достаточен для батарей, используемых в ноутбуках или сотовых телефонах. Исследователи также должны проверить большое количество гальванических элементов за достаточно долгий промежуток времени при различных физических условиях и температурах, чтобы гарантировать, что дендриты никогда не будут расти.
«Это потенциально меняющее правила игры, но трудно быть на 100 процентов уверенным, что дендриты никогда не будут расти», сказал Гоготси. «Мы ожидаем, что первое использование нашей предложенной технологии будет в менее важных приложениях – не в автомобильных батареях или сотовых телефонах. Чтобы обеспечить безопасность, добавки к электролитам, таким как наноалмазы, должны быть объединены с другими мерами предосторожности, такими как использование невоспламеняющихся электролитов, более безопасных материалов электрода и более сильных сепараторов».