Юрий Гогоци, доктор философии, заслуженный университет и профессор Баха в инженерном колледже, и его исследовательская группа из Департамента материаловедения и инженерии недавно опубликовали свою работу под названием «Наноалмазы подавляют рост дендритов лития» в журнале Nature. Связь.
В нем они описывают процесс, с помощью которого наноалмазы — крошечные частицы алмаза в 10 000 раз меньше диаметра волоса — сокращают электрохимическое осаждение, называемое гальваникой, которое может привести к опасному короткому замыканию литий-ионных батарей.Когда батареи используются и заряжаются, электрохимическая реакция приводит к перемещению ионов между двумя электродами батареи, что является сущностью электрического тока. Со временем это изменение положения ионов может создавать наросты, похожие на усики — почти как сталактиты, формирующиеся внутри пещеры. Эти отложения батареи, называемые дендритами, являются одной из основных причин неисправности литиевой батареи.
Поскольку дендриты со временем образуются внутри батареи, они могут достигать точки, в которой они проталкиваются через разделитель, пористую полимерную пленку, которая предотвращает касание положительно заряженной части батареи к отрицательно заряженной части. При повреждении сепаратора может произойти короткое замыкание, которое также может привести к возгоранию, поскольку раствор электролита в большинстве литий-ионных аккумуляторов легко воспламеняется.Чтобы избежать образования дендритов и минимизировать вероятность возгорания, современные конструкции батарей включают один электрод, сделанный из графита, заполненного литием, а не чистым литием.
Использование графита в качестве основы для лития предотвращает образование дендритов. Но интеркалированный литием графит также хранит примерно в 10 раз меньше энергии, чем чистый литий.
Прорыв, сделанный командой Гогоци, означает, что возможно значительное увеличение накопления энергии, поскольку образование дендритов может быть устранено в электродах из чистого лития.«Безопасность батарей — ключевой вопрос для этого исследования», — сказал Гогоци. «Маленькие первичные батареи в часах используют литиевые аноды, но они разряжаются только один раз.
Когда вы начинаете заряжать их снова и снова, дендриты начинают расти. Может быть несколько безопасных циклов, но рано или поздно произойдет короткое замыкание. Мы хотим чтобы исключить или, по крайней мере, свести к минимуму такую возможность ».Гогоци и его сотрудники из Университета Цинхуа в Пекине и Университета науки и технологий Хаучжун в Ухане, Китай, сосредоточили свою работу на создании более стабильных литиевых анодов и более однородном литиевом покрытии, чтобы дендриты не росли.
Они делают это, добавляя наноалмазы в раствор электролита в батарее. Наноалмазы в течение некоторого времени использовались в гальванической промышленности как способ сделать металлические покрытия более однородными. Хотя они намного, намного меньше и дешевле, чем алмазы, которые вы найдете в ювелирном футляре, наноалмазы по-прежнему сохраняют обычную структуру и форму своих дорогих предков.
Когда они откладываются, они естественным образом скользят вместе, образуя гладкую поверхность.Исследователи обнаружили, что это свойство чрезвычайно полезно для предотвращения образования дендритов. В статье они объясняют, что ионы лития могут легко прикрепляться к наноалмазам, поэтому, когда они покрывают электрод, они делают это так же упорядоченно, как и частицы наноалмаза, с которыми они связаны.
В статье они сообщают, что смешивание наноалмазов с раствором электролита литий-ионной батареи замедляет образование дендритов до нуля в течение 100 циклов заряда-разряда.Если вы думаете об этом, как об игре в тетрис, эта куча несовпадающих блоков, приближающихся к «игре окончена», является эквивалентом дендрита. Добавление наноалмазов в смесь похоже на использование чит-кода, который перемещает каждый новый блок в нужное место, чтобы завершить линию и предотвратить образование угрожающей башни.Гогоци отмечает, что открытие его группы — это только начало процесса, который в конечном итоге может привести к тому, что добавки к электролиту, такие как наноалмазы, широко используются для производства безопасных литиевых батарей с высокой плотностью энергии.
Первоначальные результаты уже показывают стабильную циклическую зарядку-разрядку до 200 часов, что достаточно для использования в некоторых промышленных или военных приложениях, но не совсем подходит для аккумуляторов, используемых в ноутбуках или сотовых телефонах. Исследователям также необходимо протестировать большое количество аккумуляторных элементов в течение достаточно длительного периода времени при различных физических условиях и температурах, чтобы гарантировать, что дендриты никогда не будут расти.
«Это потенциально меняет правила игры, но трудно быть на 100 процентов уверенным, что дендриты никогда не вырастут», — сказал Гогоци. «Мы ожидаем, что впервые предложенная нами технология будет использоваться в менее важных приложениях, а не в сотовых телефонах или автомобильных аккумуляторах. Для обеспечения безопасности добавки к электролитам, такие как наноалмазы, необходимо сочетать с другими мерами предосторожности, такими как использование не — легковоспламеняющиеся электролиты, более безопасные электродные материалы и более прочные сепараторы ».