Kako preprečiti kratke stike pri naslednji generaciji litijevih baterij? MIT je našel novo metodo

Medtem ko raziskovalci še naprej prebijajo meje zasnove baterij in iščejo več moči in energije v določen prostor ali težo, so ena bolj obetavnih tehnologij, ki jih proučujejo, litij-ionske baterije, ki uporabljajo trdne elektrolite med dvema elektrodama namesto tipične tekočine.

Toda to vrsto baterij je vedno pestil trend oblikovanja razvejane kovinske štrline na eni od elektrod, ki na koncu poveže elektrolit in povzroči kratek stik baterije. Zdaj so raziskovalci na MIT in drugod našli način za preprečevanje nastajanja dendritov, kar bi lahko sprostilo potencial te nove vrste visokoenergijske baterije.

Ugotovitve raziskave so bile objavljene v reviji Natural Energy, skupaj pa so jih dokončali podiplomski študentje Richard Parker, profesor Jiang Huiming in profesor Craig Carter s tehnološkega inštituta v Massachusettsu ter sedem drugih s tehnološkega inštituta v Massachusettsu, teksaške univerze A&M. , Univerzi Brown in Univerzi Carnegie Mellon.

Jiang je pojasnil, da so polprevodniške baterije tehnologija, ki je bila dolgo iskana iz dveh razlogov: varnosti in energijske gostote. Vendar je dejal: "Edini način za dosego te zanimive energijske gostote je uporaba kovinskih elektrod." Dejal je, da čeprav se kovinske elektrode še vedno lahko kombinirajo s tekočimi elektroliti, da se doseže dobra gostota energije, to ne zagotavlja enakih varnostnih prednosti kot trdni elektroliti.

Rekel je, da so polprevodniške baterije smiselne samo na kovinskih elektrodah, vendar je poskuse razvoja takšnih baterij ovirala rast dendritov, ki na koncu poveže vrzel med obema elektrodnima ploščama, kar povzroči kratek stik, oslabi ali deaktivira celice v baterijo.

Vemo že, da ko je tok visok, se dendriti tvorijo hitreje, kar je običajno potrebno za hitro polnjenje. Doslej je gostota toka, pridobljena v eksperimentalnih polprevodniških baterijah, veliko nižja od gostote toka, ki je potrebna za dejanske komercialne polnilne baterije. Toda Jiang je dejal, da je vredno slediti tej možnosti, saj lahko eksperimentalna različica te baterije shrani dvakrat več energije kot tradicionalne litij-ionske baterije.

Ekipa je problem dendritov rešila s sklepanjem kompromisov med trdnim in tekočim stanjem. Izdelali so poltrdno elektrodo v stiku s trdnim elektrolitskim materialom. Poltrdna elektroda zagotavlja samozdravilno površino na vmesniku namesto krhke trdne površine, ki lahko povzroči majhne razpoke in zagotovi začetno seme za nastanek dendrita.

To idejo so navdihnile eksperimentalne visokotemperaturne baterije, kjer sta ena ali obe elektrodi sestavljeni iz staljene kovine. Po besedah ​​prvega avtorja prispevka, Parka, za prenosne naprave ni mogoče uporabiti nekajstostopinjske staljene kovinske baterije, vendar to delo dokazuje, da lahko tekoči vmesniki dosežejo visoko gostoto toka brez oblikovanja dendritov. Park je dejal: "Naša motivacija je razviti elektrode na osnovi skrbno izbranih zlitin za uvedbo tekoče faze, ki lahko služi kot samozdravilni element za kovinske elektrode."

Pojasnil je, da ima ta material močnejšo trdnost kot tekočina, vendar je podoben amalgamu, ki ga zobozdravniki uporabljajo za zapolnitev votlin, vendar lahko še vedno teče in oblikuje oblike. Pri normalni delovni temperaturi baterije bo le-ta v stanju, kjer hkrati obstajata trdna in tekoča faza. V tem primeru je trdna faza sestavljena iz mešanice natrija in kalija. Jiang je dejal, da je raziskovalna skupina dokazala, da je mogoče sistem upravljati s tokom, ki je 20-krat večji od toka pri uporabi trdnega litija, ne da bi pri tem nastal kakršen koli dendrit. Naslednji korak je posnemanje te zmogljivosti z uporabo dejanske litijeve elektrode.

V drugi različici polprevodniške baterije je ekipa uvedla zelo tanko plast tekoče natrijevo-kalijeve zlitine med polprevodniško litijevo elektrodo in polprevodniškim elektrolitom. Kažejo, da lahko ta metoda premaga tudi težave z dendriti, kar zagotavlja drug pristop za nadaljnje raziskave.

Jiang je dejal, da je to novo metodo mogoče enostavno uporabiti za številne različne različice polprevodniških litijevih baterij in raziskovalci po vsem svetu trenutno preučujejo to vrsto baterije. Dejal je, da bo naslednji korak za ekipo demonstracija uporabnosti sistema v različnih arhitekturah baterij. Soavtor Viswanatan, profesor strojništva na univerzi Carnegie Mellon, je dejal: "Verjamemo, da lahko to metodo pretvorimo v katero koli polprevodniško litij-ionsko baterijo. Verjamemo, da jo je mogoče takoj uporabiti pri razvoju baterij, ki se pogosto uporabljajo v ročnih napravah , električna vozila in električna polja."