Како спречити кратке спојеве у следећој генерацији литијумских батерија? МИТ је пронашао нову методу

Како истраживачи настављају да пробијају границе дизајна батерија и настоје да уклопе више снаге и енергије у дати простор или тежину, једна од обећавајућих технологија које се проучавају су литијум-јонске батерије, које користе чврсте електролитне материјале између две електроде уместо типичне течности.

Али ова врста батерија је одувек била праћена трендом формирања разгранате металне избочине на једној од електрода, што на крају повезује електролит и узрокује кратки спој. Сада су истраживачи са МИТ-а и другде пронашли начин да спрече стварање дендрита, који би могли ослободити потенцијал ове нове врсте високоенергетских батерија.

Налази истраживања објављени су у часопису Натурал Енерги и заједно су их завршили дипломирани студенти Рицхард Паркер, професор Јианг Хуиминг и професор Цраиг Цартер са Массацхусеттс Институте оф Тецхнологи, као и седам других са Массацхусеттс Институте оф Тецхнологи, Текас А&М универзитета. , Универзитет Браун и Универзитет Карнеги Мелон.

Ђијанг је објаснио да су солид-стате батерије технологија која се дуго тражила из два разлога: безбедности и густине енергије. Међутим, рекао је: "Једини начин да се постигне ова занимљива густина енергије је употреба металних електрода." Он је рекао да иако се металне електроде и даље могу комбиновати са течним електролитима да би се постигла добра густина енергије, ово не пружа исте предности сигурности као чврсти електролити.

Он је рекао да чврсте батерије имају смисла само на металним електродама, али покушаји да се развију такве батерије су ометани растом дендрита, који на крају повезује јаз између две електродне плоче, изазивајући кратки спој, слабећи или деактивирајући ћелије у батерија.

Већ знамо да када је струја велика, дендрити се брже формирају, што је обично потребно за брзо пуњење. До сада је густина струје добијена у експерименталним солид-стате батеријама много нижа од густине струје потребне за стварне комерцијалне пуњиве батерије. Али Јианг је рекао да је ова перспектива вредна настојања јер експериментална верзија ове батерије може да ускладишти двоструко више енергије од традиционалних литијум-јонских батерија.

Тим је решио проблем дендрита правећи компромисе између чврстог и течног стања. Направили су получврсту електроду у контакту са чврстим електролитним материјалом. Получврста електрода обезбеђује самозалечујућу површину на интерфејсу, а не крхку чврсту површину, што може довести до малих пукотина и обезбедити почетно семе за формирање дендрита.

Ова идеја је инспирисана експерименталним високотемпературним батеријама, где су једна или обе електроде састављене од истопљеног метала. Према првом аутору рада, Парку, није могуће користити неколико стотина степени растопљене металне батерије за преносиве уређаје, али овај рад показује да течни интерфејси могу постићи високу густину струје без формирања дендрита. Парк је рекао: „Наша мотивација је да развијемо електроде засноване на пажљиво одабраним легурама како бисмо увели течну фазу која може послужити као самоизлечујући елемент за металне електроде.

Он је објаснио да овај материјал има јачу чврстоћу од течности, али је сличан амалгаму који стоматолози користе за попуњавање каријеса, али и даље може да тече и формира облике. На нормалној радној температури батерија ће бити у стању у коме истовремено постоје и чврста и течна фаза. У овом случају, чврста фаза је састављена од мешавине натријума и калијума. Јианг је рекао да је истраживачки тим доказао да је могуће управљати системом при струји која је 20 пута већа од струје чврстог литијума без формирања дендрита. Следећи корак је реплицирање ове перформансе користећи стварну литијумску електроду.

У другој верзији чврсте батерије, тим је увео веома танак слој легуре течног натријум калијума између литијумске електроде у чврстом стању и електролита у чврстом стању. Они указују да овај метод такође може да превазиђе дендритске проблеме, пружајући још један приступ за даља истраживања.

Јианг је рекао да се ова нова метода може лако применити на много различитих верзија литијумских батерија у чврстом стању, а истраживачи широм света тренутно проучавају ову врсту батерија. Рекао је да ће следећи корак за тим бити демонстрација применљивости система у различитим архитектурама батерија. Коаутор Висванатан, професор машинства на Универзитету Карнеги Мелон, рекао је: „Верујемо да можемо да трансформишемо ову методу у било коју чврсту литијум-јонску батерију. Верујемо да се може одмах применити у развоју батерија, која се широко користи у ручним уређајима , електрична возила и електрична поља."