Новая конструкция электрода может привести к более мощным батареям

Новая концепция электродов исходит от лаборатории Джу Ли, профессора ядерной энергетики и инженерии Battelle Energy Alliance и профессора материаловедения и инженерии. Исследование проведено в соавторстве с Юмингом Ченом и Цзыцяном Ваном из Массачусетского технологического института, наряду с 11 другими учеными из Массачусетского технологического института, а также Гонконга, Флориды и Техаса.

Конструкция является частью концепции для разработки безопасных твердотельных батарей, отказываясь от жидкого или полимерного геля, обычно используемого в качестве материала электролита между двумя электродами батареи. Электролит позволяет ионам лития перемещаться взад и вперед во время циклов зарядки и разрядки батареи, и полностью твердотельная версия может быть более безопасной, чем жидкие электролиты, которые обладают высокой летучестью и являются источником взрывов в литиевых батареях .

«Была проведена большая работа над твердотельными батареями с литий-металлическими электродами и твердыми электролитами», - говорит Ли, но эти усилия столкнулись с рядом проблем.

Одна из самых больших проблем заключается в том, что при зарядке батареи атомы накапливаются внутри металлического лития, вызывая его расширение. Металл затем снова сжимается во время разряда при использовании батареи. Эти повторяющиеся изменения размеров металла, подобно процессу вдоха и выдоха, мешают твердым веществам поддерживать постоянный контакт и имеют тенденцию вызывать разрушение или отрыв твердого электролита.

Другая проблема состоит в том, что ни один из предложенных твердых электролитов не является действительно химически стабильным при контакте с высокореакционноспособным металлическим литием, и они имеют тенденцию разрушаться со временем.

Большинство попыток преодолеть эти проблемы были сосредоточены на разработке материалов из твердого электролита, которые абсолютно устойчивы к металлическому литию, что оказывается затруднительным. Вместо этого Ли и его команда приняли необычную конструкцию, в которой используются два дополнительных класса твердых веществ: «смешанные ионно-электронные проводники» (MIEC) и «электронные и литий-ионные изоляторы» (ELI), которые абсолютно химически устойчивы в контакте с литием.

Исследователи разработали трехмерную наноархитектуру в виде сотоподобного массива шестиугольных трубок MIEC, частично наполненных твердым металлическим литием для формирования одного электрода батареи, но с дополнительным пространством, оставленным внутри каждой трубки. Когда литий расширяется в процессе зарядки, он течет в пустое пространство внутри трубок, перемещаясь как жидкость, даже если он сохраняет свою твердую кристаллическую структуру. Этот поток, полностью ограниченный внутри сотовой структуры, снимает давление от расширения, вызванного зарядкой, но без изменения внешних размеров электрода или границы между электродом и электролитом. Другой материал, ELI, служит важнейшим механическим связующим между стенками MIEC и слоем твердого электролита.

«Мы разработали эту структуру, которая дает нам трехмерные электроды, такие как соты», - говорит Ли. «Пустые пространства в каждой трубке конструкции позволяют литию «сползать назад» в трубки, и, таким образом, он не создает напряжения для растрескивания твердого электролита».

Расширяющийся и сжимающийся литий внутри этих трубок движется внутрь и наружу, как поршни автомобильного двигателя внутри их цилиндров. Поскольку эти структуры построены с наноразмерными размерами (трубки имеют диаметр от 100 до 300 нанометров и высоту десятков микрон), в результате получается «двигатель с 10 миллиардами поршней с металлическим литием в качестве рабочей жидкости».

По словам Ли, поскольку стенки этих сотоподобных структур выполнены из химически стабильного MIEC, литий никогда не теряет электрический контакт с материалом. Таким образом, весь твердый аккумулятор может оставаться механически и химически стабильным, поскольку он проходит через свои циклы использования. Команда подтвердила эту концепцию экспериментально, подвергнув испытательное устройство 100 циклам зарядки и разрядки без образования трещин в твердых телах.

Ли говорит, что, хотя многие другие группы работают над тем, что они называют твердыми батареями, большинство этих систем на самом деле работают лучше с некоторым количеством жидкого электролита, смешанного с материалом твердого электролита.

«Но в нашем случае, - говорит он, - на самом деле все твердо. В нем нет жидкости или геля».

Новая система может обеспечить безопасные аноды, которые весят всего на четверть больше, чем их обычные аналоги в литий-ионных батареях, при том же объеме хранения. В сочетании с новыми концепциями для облегченных версий другого электрода, катода, эта работа может привести к существенному снижению общего веса литий-ионных аккумуляторов. Например, команда надеется, что это может привести к тому, что мобильные телефоны будут заряжаться один раз в три дня, не делая телефоны более тяжелыми или громоздкими, пишет phys.org.