Как предотвратить возгорание в литиевых батареях следующего поколения: добавление химикатов может сделать будущие технологии производства батарей более безопасными

Результаты, опубликованные 17 июня в Nature Communications, могут помочь устранить серьезный барьер для разработки литий-серных и литий-воздушных батарей, обещая будущие технологии, которые могут хранить до 10 раз больше энергии на единицу веса, чем батареи, которые сейчас используются в бытовой электронике и электротехнике. машины.«Поскольку эти батареи будут намного легче, чем сегодняшние аккумуляторные батареи, они имеют большой потенциал для электромобилей с увеличенным запасом хода», — сказал И Цуй, доцент Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики. «Но одна из причин, сдерживающих их, — это их склонность к образованию дендритов, которые также являются виновниками перегрева и случайных возгораний в современных литий-ионных батареях».Новый подход к безопасности

Дендриты образуются, когда электрод батареи разрушается, и ионы металлов осаждаются на поверхности электрода. Когда эти отложения, похожие на пальцы, удлиняются, пока не проникают через барьер между двумя половинами батареи, они могут вызвать короткое замыкание, перегрев и возгорание.В предыдущем исследовании, опубликованном в октябре прошлого года, Цуй и его коллеги сообщили, что они разработали «умную» литий-ионную батарею, которая определяет, когда дендриты начинают пробивать барьер, поэтому батарею можно заменить до того, как ситуация станет опасной.

Это может стать решением для миллионов батарей, которые сейчас используются в сотовых телефонах, ноутбуках и других устройствах, а также в электромобилях и самолетах.Новое исследование касается технологий аккумуляторов, которые еще не вышли на рынок, и использует другой подход: добавление химикатов в электролит для предотвращения образования дендритов.

Одно соединение, нитрат лития, долгое время исследовалось как добавка для улучшения характеристик батареи. Другой, полисульфид лития, считается неприятностью: образуется при разложении серного электрода, он перемещается к электроду из металлического лития и разрушает его, сказал Цуй.В ходе мозгового штурма исследовательская группа осознала, что их комбинированный эффект ранее не изучался; вместе химические вещества могут потенциально вступать в реакцию с металлическим литием с образованием стабильной твердой поверхности раздела между электродом и электролитом.

Улучшенная производительностьОни собрали батарейки типа «таблетка», похожие на те, что используются в калькуляторах, пультах дистанционного управления и часах, и добавили различные концентрации этих двух химических веществ в электролит на основе эфира. Затем они прогнали эти батареи через множество циклов заряда / разряда, разобрали их и исследовали электроды с помощью электронного микроскопа и рентгеновского метода, который выявил их морфологию и химический состав.Они обнаружили, что добавление обоих химикатов в нужных количествах остановило образование дендритов лития; Вместо этого там росли безобидные оладьиные отложения.

Металлический литий приобрел устойчивое покрытие, которое помогло защитить его от дальнейшей деградации и фактически улучшило характеристики батареи.В ходе испытаний батареи с добавлением обоих химикатов работали с КПД 99% после более чем 300 циклов заряда-разряда, по сравнению со значительным снижением эффективности после 150 циклов для батарей, обработанных одним нитратом лития, сказала Фиона (Вейян) Ли, научный сотрудник в Cui’s. lab и первый автор статьи.Использование синергии«Это действительно захватывающее наблюдение», — сказала она. «Мы все время проводили эксперименты с этими двумя химическими веществами, но это был первый раз, когда мы рассмотрели синергетический эффект. Это не полностью решает все проблемы, связанные с литий-металлическими батареями, но это важный шаг».

Йет-Мин Чан, профессор Массачусетского технологического института, сотрудничал с командой и помогал им интерпретировать их результаты. Он сказал, что следующий шаг — посмотреть, может ли этот подход предотвратить образование дендритов в более крупных элементах, которые ближе к практическим батареям. Он также может работать с электродами из других металлов, таких как магний, кальций или алюминий, которые также могут хранить гораздо больше энергии, чем современные батареи.«Предотвращение образования дендритов будет ключом к их успеху», — сказал Чан.

Финансирование проекта было предоставлено Объединенным центром исследований в области накопления энергии, Центром инноваций Министерства энергетики, и Цуй и Чанг являются главными исследователями JCESR.

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *