Создан аккумулятор с особой конструкцией: выдержит 6000 циклов и зарядится за 10 минут

Исследователи из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук им. Полсона разработала литий-металлическую батарею, которая может заряжаться и разряжаться ее не менее 6000 раз, что говорит о длительности срока ее службы, передает Nature Materials. Данный аккумулятор можно перезарядить всего за несколько минут, утверждают ученые.

Серьезной проблемой литий-металлических батарей является рост дендритов на поверхности анода. Подобно корням, эти структуры проникают в электролит и нарушают барьер между анодом и катодом, создавая риск короткого замыкания и возгорания. Дендриты образуются в процессе зарядки, когда ионы лития перемещаются от катода к аноду и в результате формируется гальваническое покрытие. Это покрытие является опорой для будущих дендритов.

В 2021 году исследователи предложили решение проблем, связанных с дендритами, создав многослойную батарею из различных материалов и сдерживая рост дендритов. Со временем был найден способ предотвращения образования дендритов, за счет добавления в анод частицы кремния микронного размера. Эти частицы ограничивают реакцию литиирования во время зарядки, обеспечивая равномерное и толстое покрытие металлического лития. В отличие от традиционных жидких литий-ионных батарей, в которых ионы лития глубоко проникают в частицы кремния и повреждают их, поверхность кремния твердотельной батареи сдерживает реакцию литиирования.

В литий-металлических аккумуляторах ионы подвергаются динамическому литированию на поверхности кремния, образуя металлическое литиевое покрытие вокруг кремниевого ядра, что позволяет контролировать рост дендритов. "В нашей конструкции металлический литий обернут вокруг частиц кремния, как скорлупа вокруг ядра ореха", — пояснили разработчики.

Эти частицы с покрытием образуют однородную поверхность, обеспечивая равномерное распределение плотности тока и предотвращая рост дендритов. Гомогенная поверхность облегчает быстрое нанесение покрытия и зачистку, позволяя перезарядить аккумулятор за 10 минут.

Исследователи разработали аккумуляторную батарею размером с почтовую марку, превосходящую типичные батарейки в 10-20 раз. После 6000 циклов заряда/разряда батарея сохранила 80-процентную емкость, превзойдя аналоги. Позже батарейку масштабировали до размеров смартфонного аккумулятора.

"Предыдущие исследования показали, что разные материалы, в том числе серебро, могут служить хорошей основой для анода твердотельных батарей. Наше исследование объясняет возможный механизм применения этих материалов, и открывает путь к поиску и внедрению новых веществ для конструкции батарей нового типа", — подчеркнули исследователи.

Ранее мы писали о том, что дешевая водная батарея заменит литий-ионные аккумуляторы. Инновационная технология обеспечит безопасное преобразование газообразного водорода в воду, повышая тем самым безопасность аккумуляторов нового типа.