+11 голос |
В статье, вышедшей в Nature Nanotechnology, исследователи из Стэнфорда сообщили о создании ими чисто литиевого анода. Сегодняшние батареи содержат ионы лития в электролите, но не в аноде.
«Из всех материалов, которые могли бы использоваться в аноде, литий имеет наибольший потенциал. Некоторые называют его Святым Граалем, — говорит И Цуй (Yi Cui), профессор материаловедения, руководивший этой работой. — Он очень легок и имеет самую высокую плотность энергии: можно получать больше энергии из расчета на единицу массы или объема, что дает легкие, компактные и высокоемкие батареи».
При зарядке положительно заряженные ионы лития из электролита собираются на аноде, что приводит к его разбуханию. Эта проблема актуальна и для современных анодов, изготовляемых из графита или кремния, но в литии она возрастает многократно.
Исследователи говорят, что увеличение объема лития в процессе зарядки «практически бесконечно» и происходит неравномерно, создавая пики и впадины на внешней поверхности электрода. Через эти впадины и трещины ионы лития выходят и формируют волосоподобные образования, или дендриты, которые, в свою очередь, приводят к короткому замыканию цепей батареи и сокращают время ее работы.
Вдобавок ко всему, литий легко вступает в химическую реакцию с электролитом, что уменьшает количество последнего и также негативно сказывается на рабочих характеристиках батарей.
Все эти проблемы стали причиной того, что несмотря на перспективы увеличения емкости батарей в 2-4 раза, попытки использования литиевых анодов десятилетиями терпели неудачу.
Выходом, принесшим успех стэнфордской команде, стал химически стабильная, гибкая и однородная пленка на электроде, состоящая из соединенных между собой пустотелых наносфер аморфного углерода. Такой слой толщиной всего 20 нм напоминает пчелиные соты, он предотвращает реакцию между материалом анода и электролитом. Кроме того, он достаточно прочен и эластичен, чтобы выдерживать расширение лития при зарядке.
Технически, слой наносфер улучшает эффективность анода (coulombic efficiency), соотношение поглощенных при зарядке и отданных при разрядке ионов лития.
У коммерческих батарей эффективность должна составлять не менее 99,9% и сохраняться на этом уровне после как можно большего количества циклов перезарядки. Аноды из незащищенного лития имели эффективность 96%, которая спадала до 50% после 100 циклов. Кпд нового анода стэнфордских ученых достигает 99% и удерживается на протяжении 150 циклов.
«Разница между 99 и 96% в технологиях батарей огромна. И даже если мы не совсем достигли порога в 99,9%, то подошли очень близко, — отмечает Цуй. — С небольшими техническими модификациями и новыми электролитами, надеюсь, мы сможем получить практичный и стабильный анод из металлического лития для следующего поколения аккумуляторных батарей».
Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365
+11 голос |