Ученые разработали метод производства безопасных и энергоемких батарей
Способ предотвращения повреждений от дендритов, от которых выходят из строя твердотельные литиевые батареи нового поколения, разработали ученые из Университета Мэриленда, 27 октября сообщает сайт новостей науки EurekAlert со ссылкой на пресс-службу вуза.
Изучая, как выходят из строя твердотельные литиевые батареи, команда исследователей, возглавляемая профессором кафедры химической и биомолекулярной инженерии Университета Мэриленда Чуньшэном Ваном, разработала новую технологию, которая поможет создавать электромобили следующего поколения и другие устройства, не подверженные возгоранию аккумуляторов и обладающие к тому же повышенным запасом энергии.
Свой инновационный метод авторы представили в статье «Конструкция интерфейса для полностью твердотельных литиевых батарей», опубликованной в журнале Nature.
Разработанная учеными из Мэриленда конструкция «промежуточных слоев» подавляет рост литиевых дендритов — разветвленных структур из волокон металлического лития, которые, развиваясь внутри твердотельных литиевых батарей, могут приводить к короткому замыканию и выходу их из строя.
Авторы отмечают, что не менее 750 000 зарегистрированных электромобилей в США в настоящее время работают на литий-ионных батареях, чья популярность основана на высокой емкости хранения энергии.
Однако такие батареи содержат легковоспламеняющийся жидкий электролит, который при перегреве загорается. Хотя возгорания аккумуляторов электромобилей происходят относительно редко, они представляют особый риск.
В США Национальный совет по безопасности на транспорте предупреждает, что для оказывающих первую помощь при таком пожаре лиц, существует риск получить поражение от электрического тока и воздействия токсичных газов, выделяющихся из поврежденных или горящих батарей.
Полностью твердотельные аккумуляторы могут избавить электромобили от такой опасности. Однако в настоящее время, если такие батареи работают с высокой емкостью и скоростью зарядки-разрядки, которые необходимы электромобилям, то в них образуются литиевые дендриты, растущие в сторону катода и вызывающие короткие замыкания и снижение емкости.
Чуньшэн Ван и научный сотрудник Хунли Ван разрабатывали теорию формирования роста дендритов лития и предложили идею перепроектировать прослойки в твердотельной батарее таким образом, чтобы они эффективно подавляли рост дендритов лития.
Их решение обеспечивает стабилизацию границ раздела батареи между твердым электролитом и анодом и электролитом и катодом за счет промежуточных слоев. Слой, материал которого богат фтором, стабилизирует катодную часть, а модификация промежуточного слоя анода магнием и висмутом подавляет рост литиевого дендрита.
Прежде чем продукт мэрилендских исследователей выйдет на рынок, им предстоит решить и другие задачи. Для коммерциализации полностью твердотельных батарей разработчикам необходимо увеличить плотность энергии, для чего нужно уменьшить слой твердого электролита, сделав его таким же, как у электролита литий-ионных батарей. Еще одной проблемой является высокая стоимость основных материалов такой батареи.
Передовой производитель аккумуляторов Solid Power планирует начать испытания новой технологии, чтобы оценить ее потенциал для коммерциализации. «Твердотельные батареи — это новое поколение, потому что они могут обеспечить высокую энергию и безопасность. В современных батареях, если вы достигнете высокой энергии, вы пожертвуете безопасностью», — отметил Ван.
