«Когда литиевые батареи заряжаются в первый раз, они теряют от 5 до 20% энергии в первом цикле», — говорит Ян. «Благодаря нашему дизайну мы смогли вернуть эту потерю, и мы думаем, что наш метод имеет большой потенциал для увеличения времени работы батарей для портативной электроники и электромобилей».Во время первой зарядки литиевой батареи после ее изготовления часть жидкого электролита превращается в твердую фазу и наносится на отрицательный электрод батареи.
Этот процесс, обычно выполняемый до отправки аккумуляторов с завода, необратим и снижает запас энергии в аккумуляторе. Потери составляют примерно 10% для современных отрицательных электродов, но могут достигать 20-30% для отрицательных электродов следующего поколения с большой емкостью, таких как кремний, поскольку эти материалы имеют большое объемное расширение и высокую площадь поверхности. Большие начальные потери уменьшают достижимую емкость в полной ячейке и, таким образом, ставят под угрозу выигрыш в плотности энергии и срок службы этих наноструктурированных электродов.Традиционный подход к компенсации этих потерь заключался в добавлении в электрод определенных материалов, богатых литием.
Однако большинство этих материалов нестабильны в окружающем воздухе. Производство аккумуляторов в сухом воздухе, в котором совсем нет влаги, — гораздо более дорогой процесс, чем производство на воздухе окружающей среды. Ян разработал новую трехслойную структуру электрода для изготовления анодов литиированных батарей в окружающем воздухе. В этих электродах он защищал литий слоем полимера ПММА, чтобы предотвратить реакцию лития с воздухом и влагой, а затем покрыл ПММА такими активными материалами, как искусственный графит или наночастицы кремния.
Затем слой ПММА растворялся в электролите батареи, таким образом подвергая литий воздействию электродных материалов. «Таким образом, мы смогли избежать любого контакта с воздухом между нестабильным литием и литиированным электродом, — объясняет Ян, — поэтому трехслойный электрод может работать в окружающем воздухе. Это могло бы стать привлекательным шагом вперед на пути к массовому производству литиированных батарей. электроды ".Метод Янга снизил потери в современных графитовых электродах с 8% до 0,3%, а в кремниевых электродах с 13% до -15%. Цифра -15% указывает на то, что лития было больше, чем необходимо, и «лишний» литий можно использовать для дальнейшего увеличения срока службы батарей, поскольку избыток может компенсировать потерю емкости в последующих циклах.
Поскольку плотность энергии или емкость литий-ионных аккумуляторов увеличивалась на 5-7% ежегодно в течение последних 25 лет, результаты Янга указывают на возможное решение для увеличения емкости литий-ионных аккумуляторов. Его группа сейчас пытается уменьшить толщину полимерного покрытия, чтобы оно занимало меньший объем в литиевой батарее, и расширить его технику.
«Эта трехслойная структура электрода действительно является продуманной конструкцией, которая позволяет обрабатывать электроды, содержащие металл литий, в условиях окружающей среды», — отмечает Хайлианг Ван, доцент химии Йельского университета, не принимавший участия в исследовании. «Первоначальная кулоновская эффективность электродов — большая проблема для индустрии литий-ионных аккумуляторов, и этот эффективный и простой в использовании метод компенсации необратимых потерь ионов лития вызовет интерес».