Новая модель предлагает потенциальные решения для следующего

Новое исследованиеИсследователи Стэнфордского университета прокладывают путь к созданию более качественных и безопасных литий-металлических батарей.

Близкие родственники перезаряжаемых литий-ионных элементов, широко используемых в портативной электронике и электромобилях, литий-металлические батареи представляют собой огромные перспективы в качестве устройств хранения энергии следующего поколения. По сравнению с литий-ионными устройствами литий-металлические аккумуляторы сохраняют больше энергии, заряжаются быстрее и весят значительно меньше.

Однако на сегодняшний день коммерческое использование литий-металлических аккумуляторов ограничено. Основная причина — образование «дендритов» — тонких металлических древовидных структур, которые растут по мере накопления металлического лития на электродах внутри батареи. Эти дендриты ухудшают характеристики батареи и в конечном итоге приводят к выходу из строя, что в некоторых случаях может даже привести к опасному возгоранию.

Новое исследование подошло к проблеме дендритов с теоретической точки зрения. Как описано в статье, опубликованной в Журнале Электрохимического общества, исследователи из Стэнфорда разработали математическую модель, которая объединяет физику и химию, участвующие в формировании дендритов.

Эта модель позволила понять, что замена новых электролитов — среды, через которую ионы лития перемещаются между двумя электродами внутри батареи — с определенными свойствами может замедлить или даже полностью остановить рост дендритов.

«Цель нашего исследования — помочь в разработке литий-металлических батарей с более длительным сроком службы», — сказал ведущий автор исследования Вейю Ли, аспирант в области инженерии энергетических ресурсов, которого совместно консультируют профессора Даниэль Тартаковский и Хамди Челепи. «Наша математическая основа учитывает ключевые химические и физические процессы в литий-металлических батареях в соответствующем масштабе».

«Это исследование дает некоторые конкретные подробности об условиях, при которых могут формироваться дендриты, а также о возможных путях подавления их роста», — сказал соавтор исследования Челепи, профессор инженерии энергетических ресурсов в Стэнфордской школе Земли, энергетики и технологий. Науки об окружающей среде (Стэнфорд Земля).

Экспериментаторы долгое время пытались понять факторы, приводящие к образованию дендритов, но лабораторная работа трудоемка, а результаты оказалось трудно интерпретировать. Осознав эту проблему, исследователи разработали математическое представление внутренних электрических полей батарей и транспорта ионов лития через материал электролита, а также других соответствующих механизмов.

Имея на руках результаты исследования, экспериментаторы могут сосредоточиться на физически вероятных сочетаниях материалов и архитектуры. «Мы надеемся, что другие исследователи смогут использовать это руководство, полученное в результате нашего исследования, для разработки устройств с нужными свойствами и сокращения диапазона экспериментальных вариаций методом проб и ошибок, которые им приходится выполнять в лаборатории», — сказал Челепи.

В частности, новые стратегии проектирования электролитов, предложенные в исследовании, включают поиск материалов, которые являются анизотропными, то есть проявляют разные свойства в разных направлениях. Классическим примером анизотропного материала является древесина, которая прочнее в направлении волокон, видимых в виде линий на древесине, а не против волокон. В случае анизотропных электролитов эти материалы могут точно регулировать сложное взаимодействие между транспортом ионов и межфазной химией, препятствуя накоплению, которое приводит к образованию дендритов. Исследователи предполагают, что некоторые жидкие кристаллы и гели обладают этими желаемыми характеристиками.

Другой подход, выявленный в ходе исследования, основан на сепараторах аккумуляторов — мембранах, которые предотвращают соприкосновение и короткое замыкание электродов на противоположных концах аккумулятора. Можно было бы разработать новые виды сепараторов с порами, которые заставляют ионы лития анизотропно проходить вперед и назад через электролит.

Команда надеется, что другие научные исследователи продолжат работу над «лидами», выявленными в их исследовании. Эти следующие шаги будут включать производство реальных устройств, основанных на экспериментальных новых составах электролитов и архитектуре батарей, а затем тестирование того, что может оказаться эффективным, масштабируемым и экономичным.