В работе, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology, исследователи в Стэнфордском университете сообщают, что они сделали большой шаг к выполнению, что проектировщики батареи пытались сделать в течение многих десятилетий – проектируют чистый литиевый анод.У всех батарей есть три основных компонента: электролит, чтобы обеспечить электроны, анод, чтобы освободить от обязательств те электроны и катод, чтобы получить их.
Сегодня, мы говорим, что у нас есть литиевые батареи, но это только частично верно. Что мы имеем, литий-ионные аккумуляторы. Литий находится в электролите, но не в аноде.
Анод чистого лития был бы огромным повышением эффективности батареи.«Всех материалов, которые можно было бы использовать в аноде, у лития есть самый большой потенциал. Некоторое требование это Святой Грааль», сказал И Цуй, преподаватель Материальной Науки и Разработки и лидера исследовательской группы. «Это очень легко, и у этого есть самая высокая плотность энергии. Вы получаете больше власти за объем и вес, приводя к более легким, батареям меньшего размера с большим количеством власти».
Но инженеры долго пробовали и не достигли этого Святого Грааля.«У лития есть основные проблемы, которые сделали его использование в анодах трудным.
Многие инженеры бросили поиск, но мы нашли способ защитить литий от проблем, которые изводили его для настолько долго», заявил Гуанъюань Чжен, докторант в лаборатории Цуя и первый автор статьи.В дополнение к Чжену исследовательская группа включает Стивена Чу, бывшего американского министра энергетики и нобелевского лауреата, который недавно возобновил его профессорство в Стэнфорде.«На практике, если бы мы можем улучшить мощность батарей к, скажем, четырем сегодняшним разам, который был бы захватывающим.
Вы могли бы быть в состоянии иметь сотовый телефон с двойным или утроить время работы от батареи или электромобиль с диапазоном 300 миль, которые стоят только $25 000 – конкурентоспособный по отношению к двигателю внутреннего сгорания, получая 40 миль на галлон», заявила Чу.Техническая проблема
В газете авторы объясняют, как они преодолевают проблемы, созданные литием.Большинство литий-ионных аккумуляторов, как те Вы могли бы найти в своем смартфоне или гибридном автомобиле, работать так же.
Ключевые компоненты включают анод, отрицательный полюс, от которого электроны вытекают и в энергоемкое устройство и катод, где электроны повторно входят в батарею, как только они путешествовали через схему. Отделение их является электролитом, телом или жидкостью, загруженной положительно заряженными литиевыми ионами, которые перемещаются между анодом и катодом.Во время зарядки положительно заряженные литиевые ионы в электролите привлечены к отрицательно заряженному аноду, и литий накапливается на аноде. Сегодня, анод в литий-ионном аккумуляторе на самом деле сделан из графита или кремния.
Инженеры хотели бы использовать литий для анода, но до сих пор они были неспособны сделать так. Поэтому литиевые ионы расширяются, поскольку они собираются на аноде во время зарядки.Все материалы анода, включая графит и кремний, расширяются несколько во время зарядки, но не как литий.
Исследователи говорят, что расширение лития во время зарядки «фактически бесконечно» относительно других материалов. Ее расширение также неравномерное, вызывая ямы, и трещины, чтобы сформироваться в наружной поверхности, как подрисовывают корпус воздушного шара, который раздувается.
Получающиеся трещины на поверхности анода позволяют драгоценным литиевым ионам убегать, формируя похожий на волосы или мшистый рост, названный дендритами. Дендриты, в свою очередь, срывают батарею и сокращают ее жизнь.Предотвращение этого наращивания является первой проблемой использования лития для анода батареи.Вторая техническая проблема состоит в том, что литиевый анод высоко химически реактивный с электролитом.
Это израсходовало электролит и уменьшает время работы от батареи.Дополнительная проблема состоит в том, что анод и электролит производят тепло, когда они входят в контакт.
Литиевые батареи, включая тех в использовании сегодня, могут перегреть на грани огня, или даже взрыва, и являются, поэтому, серьезным беспокойством безопасности. Недавние огни батареи в автомобилях Tesla и на Dreamliner Боинга являются видными примерами проблем литий-ионных аккумуляторов.
Строительство наносферЧтобы решить эти проблемы, Стэнфордские исследователи построили защитный слой связанных углеродных куполов сверху их литиевого анода. Этот слой – то, что команда назвала наносферамиСлой наносферы Стэнфордской команды напоминает соты: это создает гибкий, однородный и нереактивный фильм, который защищает нестабильный литий от недостатков, которые сделали его такой проблемой.
Углеродная стена наносферы всего 20 миллимикронов толщиной. Потребовалось бы приблизительно 5 000 слоев, сложенных один на другом, чтобы равняться ширине единственных человеческих волос.
«Идеальный защитный слой для литиевого металлического анода должен быть химически стабильным, чтобы защитить от химических реакций с электролитом и механически сильный, чтобы противостоять расширению лития во время обвинения», сказал Цуй.Стэнфордский слой наносферы – просто это. Это сделано из аморфного углерода, который химически стабилен, все же прочен и гибок, чтобы двинуться свободно вверх и вниз с литием, когда это расширяется и сокращается во время нормального цикла выброса обвинения батареи.Идеал в пределах досягаемости
В технических терминах наносферы повышают coulombic эффективность батареи – отношение количества лития, который может быть извлечен из анода, когда батарея используется по сравнению с суммой, вставленной во время зарядки. Единственный раунд этого процесса компромисса называют циклом.Обычно, чтобы быть коммерчески жизнеспособной, у батареи должна быть coulombic эффективность 99,9 процентов или больше, идеально по как можно большему количеству циклов.
Предыдущие аноды незащищенного литиевого металла достигли приблизительно 96-процентной эффективности, которая спала меньше чем до 50 процентов во всего 100 циклах – совсем не достаточно хороший. Новый литиевый металлический анод Стэнфордской команды достигает 99-процентной эффективности даже в 150 циклах.«Различие между 99 процентами и 96 процентами, в терминах батареи, огромно.
Так, в то время как мы не совсем к тому порогу на 99,9 процентов, где мы должны быть, мы близки, и это – существенное улучшение по любому предыдущему дизайну», сказал Цуй. «С некоторыми дополнительными техническими и новыми электролитами мы полагаем, что можем понять практический и устойчивый литиевый металлический анод, который мог привести следующее поколение в действие аккумуляторов».