Ученые разработали долговечный аккумулятор из "материала мечты"

Исследовательская группа из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) Министерства энергетики США разработала особенную конструкцию литий-металлической батареи, которая делает ее более износостойкой.

Об этом сообщает издание Nature Energy.

Идея заключается в замене графита, используемого в анодном компоненте, на чистый металлический литий, который может удерживать в 10 раз больше энергии. Некоторые ученые называют металлический литий "материалом мечты" за его способность сохранять огромное количество энергии. Но все же есть у него и минусы: батареи, где применялся этот материал, быстро выходили из строя в ходе эксплуатации.

Одна из причин — сложные реакции, происходящие вокруг анода и влияющие на слой, который образуется на аноде литий-ионных батарей во время первых нескольких циклов зарядки (этот слой еще называют межфазной фазой твердого электролита, — SEI). SEI контролирует молекулы, входящие в анод из раствора электролита, через который электроны перемещаются к и от другого электрода — катода. Таким образом, этот слой играет роль "привратника" и отвечает за предотвращение нежелательных химических реакций при включении батареи, и именно с ним и работали ученые. 

Ранее считалось, что добавление лития в анод — один из способов решения вышеописанной проблемы, но команда добилась успеха благодаря другому подходу.

"Многие наши коллеги думали, что более толстый слой лития позволит батарее работать дольше", — говорит Цзе Сяо, участник эксперимента. "Но это не всегда так. Для каждой литий-металлической батареи существует оптимальная толщина в зависимости от энергии ее элемента и конструкции".

Ученые использовали очень тонкие полоски лития в качестве основы для анода, каждая шириной всего 20 микрон, что намного тоньше человеческого волоса. На основе такой конструкции был создан аккумулятор с плотностью энергии 350 Втч/кг. Лучшие в своем классе литий-ионные батареи, используемые сегодня, имеют плотность от 250 до 300 Втч/кг.

В ходе тестирования команда обнаружила, что батарея сохранила 76% емкости после рекордных 600 циклов. Кстати, эта же группа исследователей четыре года назад продемонстрировала экспериментальную литиевую батарею, которая могла работать до 50 циклов, а два года назад они смогли "разогнать" ее до 200 циклов. Текущая версия, установившая рекорд, является еще одним шагом вперед в развитии технологий и, по словам ученых, работает намного дольше, чем любые другие версии, разрабатываемые в аналогичных проектах.

Команда объясняет успех конструкции тем, что более тонкие полоски способствуют лучшему SEI и, следовательно, лучшему взаимодействию между электролитом и анодом, по сравнению с более толстыми полосками, которые подавляют важные электрохимические реакции. Решив ключевой вопрос, связанный с литий-металлическими батареями, авторы надеются продолжить совершенствование технологии с помощью консорциума, известного как Battery500, который работает над достижением плотности энергии 500 Втч/кг.

"Консорциум Battery500 добился большого прогресса в увеличении плотности энергии и продлении срока службы", — говорит Стэнли Уиттингем, лауреат Нобелевской премии 2019 года по химии и участник тестов. "Но еще многое предстоит сделать. В частности, необходимо решить проблемы безопасности, связанные с литий-металлическими батареями. Команда Battery500 упорно работает над решением этой проблемы".

Ранее мы сообщали о том, что ученые разработали дешевый метод извлечения лития для аккумуляторов — прямо из морской воды. Добыча 1 кг лития обойдется всего в 5 долларов.