В статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology, исследователи из Стэнфордского университета сообщают, что они сделали большой шаг к тому, что разработчики батарей пытались сделать на протяжении десятилетий — спроектировать анод из чистого лития.Все батареи состоят из трех основных компонентов: электролита для подачи электронов, анода для разряда этих электронов и катода для их приема.
Сегодня мы говорим, что у нас есть литиевые батареи, но это верно лишь отчасти. У нас есть литий-ионные батареи. Литий находится в электролите, но не в аноде. Анод из чистого лития значительно повысил бы эффективность батареи.
«Из всех материалов, которые можно использовать в аноде, литий обладает наибольшим потенциалом. Некоторые называют его Святым Граалем», — сказал И Цуй, профессор материаловедения и инженерии и руководитель исследовательской группы. «Он очень легкий и имеет самую высокую плотность энергии. Вы получаете большую мощность на единицу объема и веса, что приводит к более легким, меньшим батареям с большей мощностью».Но инженеры долго пытались достичь этого Святого Грааля, но у них ничего не вышло.
«Литий имеет серьезные проблемы, которые затрудняют его использование в анодах. Многие инженеры отказались от поисков, но мы нашли способ защитить литий от проблем, которые преследовали его так долго», — сказал Гуанюань Чжэн, докторант. в лаборатории Цуй и первый автор статьи.Помимо Чжэна, в исследовательскую группу входит Стивен Чу, бывший министр энергетики США и лауреат Нобелевской премии, недавно возобновивший свою профессорскую должность в Стэнфорде.
«С практической точки зрения, если мы сможем увеличить емкость аккумуляторов, скажем, в четыре раза по сравнению с сегодняшним днем, это было бы здорово. Вы могли бы иметь сотовый телефон с удвоенным или тройным временем автономной работы или электромобиль с запасом хода до 300 миль, которые стоят всего 25 000 долларов — это конкурентоспособно с двигателем внутреннего сгорания, потребляющим 40 миль на галлон », — сказал Чу.Инженерная проблема
В статье авторы объясняют, как они преодолевают проблемы, связанные с литием.Большинство литий-ионных аккумуляторов, таких как те, которые вы можете найти в своем смартфоне или гибридном автомобиле, работают аналогичным образом.
Ключевые компоненты включают анод, отрицательный полюс, с которого электроны вытекают и попадают в энергоемкое устройство, и катод, где электроны снова входят в батарею после прохождения по цепи. Их разделяет электролит, твердое тело или жидкость, наполненные положительно заряженными ионами лития, которые перемещаются между анодом и катодом.Во время зарядки положительно заряженные ионы лития в электролите притягиваются к отрицательно заряженному аноду, и литий накапливается на аноде. Сегодня анод в литий-ионной батарее фактически сделан из графита или кремния.
Инженеры хотели бы использовать литий в качестве анода, но пока не смогли этого сделать. Это потому, что ионы лития расширяются, собираясь на аноде во время зарядки.Все материалы анода, включая графит и кремний, несколько расширяются во время зарядки, но не литий.
Исследователи говорят, что расширение лития во время зарядки «практически бесконечно» по сравнению с другими материалами. Его расширение также неравномерное, вызывая образование ямок и трещин на внешней поверхности, как краска на внешней стороне надуваемого воздушного шара.Образовавшиеся трещины на поверхности анода позволяют драгоценным ионам лития улетучиваться, образуя волосовидные или покрытые мхом наросты, называемые дендритами. Дендриты, в свою очередь, вызывают короткое замыкание аккумулятора и сокращают срок его службы.
Предотвращение этого накопления — первая проблема использования лития в качестве анода батареи.Вторая инженерная проблема заключается в том, что литиевый анод очень химически реагирует с электролитом. Он расходует электролит и сокращает срок службы батареи.Дополнительная проблема заключается в том, что анод и электролит выделяют тепло при контакте.
Литиевые батареи, в том числе те, которые используются сегодня, могут перегреться до точки возгорания или даже взрыва и, следовательно, представляют серьезную угрозу безопасности. Недавние возгорания аккумуляторов в автомобилях Tesla и Boeing Dreamliner являются яркими примерами проблем, связанных с литий-ионными батареями.Создание наносферЧтобы решить эти проблемы, исследователи из Стэнфорда построили защитный слой из взаимосвязанных углеродных куполов поверх своего литиевого анода.
Этот слой — то, что команда назвала наносферами.Слой наносферы из Стэнфорда напоминает соты: он создает гибкую, однородную и нереактивную пленку, которая защищает нестабильный литий от недостатков, которые сделали его такой сложной задачей.
Стенка углеродной наносферы имеет толщину всего 20 нанометров. Потребовалось бы около 5000 слоев, уложенных друг на друга, чтобы равняться ширине одного человеческого волоса.«Идеальный защитный слой для анода из металлического лития должен быть химически стабильным, чтобы защищать от химических реакций с электролитом, и механически прочным, чтобы выдерживать расширение лития во время заряда», — сказал Куи.
Наносферный слой Стэнфорда — это именно то, что вам нужно. Он изготовлен из аморфного углерода, который является химически стабильным, но прочным и гибким, чтобы свободно перемещаться вверх и вниз вместе с литием, когда он расширяется и сжимается во время нормального цикла заряда-разряда батареи.Идеально в пределах досягаемости
С технической точки зрения наносферы улучшают кулоновскую эффективность батареи — соотношение количества лития, которое может быть извлечено из анода при использовании батареи, по сравнению с количеством, внесенным во время зарядки. Один раунд этого процесса компромиссов называется циклом.Как правило, чтобы быть коммерчески жизнеспособным, батарея должна иметь кулоновский КПД 99,9 процента или более, в идеале в течение максимально возможного количества циклов.
Предыдущие аноды из незащищенного металлического лития обеспечивали примерно 96-процентную эффективность, которая упала до менее 50 процентов всего за 100 циклов, что почти недостаточно. Новый литий-металлический анод, созданный командой Стэнфордского университета, обеспечивает 99-процентную эффективность даже при 150 циклах.«Разница между 99 процентами и 96 процентами с точки зрения заряда батареи огромна.
Так что, хотя мы еще не достигли порогового значения 99,9 процента, на котором нам нужно быть, мы близки к этому, и это значительное улучшение по сравнению с любыми предыдущими. дизайн ", — сказал Цуй. «С некоторыми дополнительными разработками и новыми электролитами, мы считаем, что сможем реализовать практичный и стабильный литий-металлический анод, который может питать аккумуляторные батареи следующего поколения».