Ученые стремятся повысить эффективность литиевых аккумуляторов заменой некоторых жидких компонентов на твердые. Такие полупроводниковые батареи способны существенно увеличить время работы электромобилей и мобильных устройств благодаря большей плотности энергии.
Учёные Массачусетского технологического института сообщили о важном шаге вперёд в развитии полупроводниковых батарей, продемонстрировав новую архитектуру, которая устраняет некоторые недостатки традиционных конструкций.
Жидкий электролит в обычной литиевой батарее — среда для перемещения ионов лития между анодом и катодом во время зарядки и разрядки. Проблема заключается в том, что жидкость очень летуча и может вызвать возгорание аккумулятора, как это случилось с некоторыми смартфонами Samsung Galaxy Note 7.
Замена жидкого электролита на твердый материал сделает батареи более безопасными и менее подверженными возгораниям. Это может открыть новые возможности для других важных компонентов батареи. Анод в современных литиевых аккумуляторах изготовлен из смеси меди и графита, но если его сделать из чистого лития, то это позволит преодолеть «узкое место» плотности энергии существующей Li-ion химии, как утверждает исследование, опубликованное в «Тенденции в химии».
Огромный потенциал чистого анода лития делает его высокоприоритетным среди исследователей батарей. Ключевым шагом является внедрение жизнеспособного твердого электролита, чтобы заставить его работать. Однако существуют и значительные препятствия.
По мере перезарядки батареи атомы накапливаются внутри литиевого металла, вызывая его расширение, а во время использования уменьшаются, вызывая сжимание металла.
Это делает постоянный контакт между материалами практически невозможным и может привести к гидроразрыву электролита.
Новая архитектура батарей от MIT может решить эту проблему. Она основана на сочетании твердых материалов: смешанных ионно-электронных проводников (MIEC) и электронных литий-ионных изоляторов (ELI). Их разместили в трехмерной ячеистой структуре, где массив наноразмерных трубок из MIEC является ключевой частью.
Трубки заполнены твердым литиевым металлом, составляющим анод батареи. Дополнительное пространство внутри трубок предоставляет литиевому металлу возможность расширяться и сжиматься во время зарядки и разрядки. Материал находится в промежуточном состоянии между твердым и жидким, подобно жидкости, но сохраняя кристаллическую структуру.
Внутри анода с сотовой структурой ELI покрывает стенки трубок и служит связующим звеном между ними и твердым электролитом. Благодаря этому колебания размеров литиевого металла при зарядке батареи полностью остаются внутри структуры, а ее внешние размеры не меняются.
Решением этой проблемы служит анод батареи, который химически и механически устойчив во время цикла зарядки и разрядки, в то время как литий всегда сохраняет электрический контакт с твердым электролитом. Команда считает это значительным шагом вперед по сравнению с другими экспериментальными твердотельными батареями, которые обычно используют жидкий электролит для работы.
«Однако здесь речь идет именно о твердом веществе», — утверждает Цзю Ли, профессор материаловедения и инженерии в MIT. «В его составе отсутствуют жидкость или гель».
Команда провела эксперименты по тестированию архитектуры полупроводниковых батарей и сообщила о возможности выдерживать 100 циклов зарядки и разрядки без разрушения. Потенциально технология позволит создавать аноды, весящие в четыре раза меньше существующих аналогов, при сохранении той же емкости хранения. Сочетание с другими разработками катода, по мнению команды, может привести к смартфонам того же веса и размера, которые будут заряжаться один раз в три дня.
Исследование было опубликовано в журнале .