Найден способ удлинить жизненный цикл литий-металлических батарей

Металлический литий считается «материалом мечты» для анода литий-ионных батарей, так как обладает самой высокой плотностью энергии среди известных твёрдых соединений. Использование литиевого анода позволило бы батареям работать вдвое дольше, чем сегодняшние аналоги с графитовым анодом и катодом из оксида кобальта-лития.

Достоинства металлического лития известны многие десятилетия, как и его недостатки. Главным из последних является рост дендритов на поверхности литиевого анода в процессе зарядки батареи от внешней цепи.

Команда Университета штата Вашингтон (WSU) нашла технологичный способ блокировать этот процесс, ведущий к быстрому снижению работоспособности батареи, а в пределе — к короткому замыканию и взрыву.

В качестве катода литий-металлической батареи они использовали пористый углерод, насыщенный дисульфидом селена (SeS2) — безвредным веществом, входящим в состав шампуней от перхоти. Кроме того, в жидкий электролит ввели две добавки — Py14TFSI и LiNO3, с которыми часто экспериментируют в исследованиях технологий литиевых батарей следующего поколения.

Действуя вместе, эти добавки формировали защитный слой на поверхности металлического анода — достаточно плотный, прочный и проводящий, чтобы подавлять рост дендритов и, одновременно, обеспечивать хорошую циклическую стабильность.

В испытаниях с типичной для потребительской электроники плотностью тока, защищённый литиевый анод сохранял высокую эффективность в течение 500 циклов перезарядки.

«Такой уникальный защитный слой приводил к небольшим морфологическим изменениям литиевого анода по мере увеличения количества циклов и эффективно подавлял рост литиевых дендритов, а также нежелательные побочные реакции с растворимыми промежуточными продуктами катода», — говорится в статье, опубликованной в мартовском номере журнала Nano Energy.

Авторы утверждают, что предложенная ими технология хорошо масштабируется на условия промышленного производства. «По сравнению с твёрдотельными батареями, от которых нас ещё отделяют многие годы, нет нужды менять производственные процедуры. Это будет применимо к реальной промышленности гораздо раньше и откроет многообещающий путь к разработке высокоэнергетических литий-металлических батарей с долгим жизненным циклом», — отметил руководивший исследованием доцент WSU Минькю Сун (Min-Kyu Song).

Инженеры WSU продолжают совершенствовать свою конструкцию, в частности, разрабатывают мембрану-разделитель, которая обеспечит дополнительную защиту материалов батареи от деградации и улучшит безопасность без ущерба для производительности.