В течение многих часов работы эти дендриты разрастаются и охватывают пространство между отрицательным и положительным электродами, вызывая короткое замыкание и создавая потенциальную угрозу безопасности.Современные технологии сосредоточены на управлении этими дендритами путем создания механически прочного барьера, обычно керамического разделителя, между отрицательным и положительным электродами, чтобы ограничить движение дендрита. Однако относительная непроводимость и хрупкость таких барьеров означает, что аккумулятор должен эксплуатироваться при высокой температуре и склонен к выходу из строя при растрескивании барьера.Но команда из Корнелла, возглавляемая профессором химической и биомолекулярной инженерии Линденом Арчером и аспирантом Снехашисом Чоудхури, предложила в недавнем исследовании, что, создавая наноструктурированные мембраны с размерами пор ниже критического значения, можно остановить рост дендритов в литиевых батареях на комнатная температура.
«Проблема с керамикой заключается в том, что это решение методом грубой силы ставит под угрозу проводимость», — сказал Арчер, директор Уильяма К. Хуи и заслуженный профессор инженерии семьи Джеймса А. Френда и директор школы химической и биомолекулярной инженерии Роберта Фредерика Смита.«Это означает, что батареи, в которых используется керамика, должны работать при очень высоких температурах — от 300 до 400 градусов по Цельсию [572 до 752 градусов по Фаренгейту] в некоторых случаях», — сказал Арчер. «И очевидная проблема, которая возникает, — как мне поместить это в свой iPhone?»Конечно, вы этого не сделаете, но с технологией, которую предложила группа Archer, создание высокоэффективной литий-металлической батареи для мобильного телефона или другого устройства может стать реальностью в не столь отдаленном будущем.
Арчер считает, что Чоудхури назвал полимер-полиэтиленоксид особенно многообещающим. Идея заключалась в том, чтобы воспользоваться «волосатыми» наночастицами, созданными путем прививки полиэтиленоксида на диоксид кремния, чтобы сформировать наноразмерные органические гибридные материалы (NOHM), материалы, которые Арчер и его коллеги изучали в течение нескольких лет, для создания нанопористых мембран.
Чтобы экранировать дендриты, связанный с наночастицами ПЭО сшивается с другим полимером, оксидом полипропилена, чтобы получить механически прочные мембраны, которые легко инфильтрируются жидкими электролитами. Это создает структуры с хорошей проводимостью при комнатной температуре, в то же время предотвращая рост дендритов.
«Вместо« стены », блокирующей распространение дендритов, мембраны обеспечивали пористую среду, через которую проходят ионы, при этом поры были достаточно малы, чтобы ограничить проникновение дендритов», — сказал Чоудхури. «С помощью этого наноструктурированного электролита мы создали материалы с хорошей механической прочностью и хорошей ионной проводимостью при комнатной температуре».Группа Арчера сопоставила характеристики сшитых наночастиц с другими материалами из ранее опубликованных работ и определила, что «с этой конструкцией мембраны мы можем подавлять рост дендритов более эффективно, чем что-либо еще в этой области. Это большое достижение», — сказал Арчер.По словам Арчера, одна из лучших вещей в этом открытии заключается в том, что это «простое решение», что означает, что технология аккумуляторов не должна быть радикально изменена, чтобы включить ее.
«Мембрана может быть объединена с батареями в различных форм-факторах, поскольку она похожа на краску — и мы можем красить поверхность электродов любой формы», — добавил Чоудхури.По словам Арчера, это решение также открывает двери для других приложений.«Созданные Снехашисом структуры могут быть столь же эффективны с батареями на основе других металлов, таких как натрий и алюминий, которые более распространены и менее дороги, чем литий, а также ограничены дендритами», — сказал Арчер.Статья группы «Очень обратимая литий-металлическая батарея при комнатной температуре на основе сшитых волосатых наночастиц» была опубликована 4 декабря в Nature Communications.
Все четыре члена группы, в том числе докторанты Рахул Мангал и Аканкша Агравал, внесли свой вклад в статью.Работа группы Арчера была поддержана отделом исследования материалов Национального научного фонда и грантом Научно-технического университета имени короля Абдаллы в Саудовской Аравии.
В исследовании использовался высокоэнергетический синхротронный источник Cornell, который также поддерживается NSF.