Новая батарея достигает эффективности 99,98%, обеспечивает 2000 часов работы без дендритов и продлевает циклы работы.

Исследователи из Гонконгского университета науки и технологий разработали новый материал, который может решить одну из самых больших проблем в литий-металлических батареях. Команда создала монокристаллическую 3D-ковалентную органическую структуру на основе бората (КОФ-303), который действует как твердотельный электролит, повышая безопасность и производительность.

Литий-металлические батареи считаются следующим шагом после нынешних литий-ионных батарей, особенно для электромобилей и крупномасштабных накопителей энергии. Однако они сталкиваются с проблемами безопасности, главным образом из-за образования литиевых дендритов, которые приводят к деградации и коротким замыканиям. Ковалентные органические структуры были исследованы в качестве потенциальных электролитных материалов из-за их пористой и стабильной структуры.

Однако большинство существующих версий являются поликристаллическими, что создает сопротивление на границах зерен и ограничивает эффективность перемещения ионов через материал. Чтобы решить эту проблему, команда использовала COF-303 в качестве шаблона для создания монокристаллической структуры с высокоупорядоченными ионными каналами. Такая конструкция снижает сопротивление между зернами и обеспечивает более равномерное осаждение лития, что помогает подавить образование дендритов.

Упорядоченные ионные пути материала также обеспечивают более постоянный поток ионов через электролит, что уменьшает количество горячих точек и неравномерность реакций. Это может помочь увеличить срок службы батареи в реальных условиях, где повторяющиеся циклы зарядки часто приводят к потере производительности и риску безопасности.

Преодоление барьера на пути роста дендритов

Новый материал обеспечивает высокие электрохимические характеристики по нескольким ключевым параметрам. Он достигает ионной проводимости 8,1 мСм/см при комнатной температуре и коэффициента переноса Li+ 0,98, что обеспечивает быстрый и селективный транспорт ионов в батарее.

Система также демонстрирует улучшенную стабильность. Испытания продемонстрировали стабильное осаждение и удаление лития в течение более 2000 часов в симметричных элементах, что указывает на долгосрочную эксплуатационную надежность и снижение рисков безопасности.

В конфигурациях с элементами, использующими катоды LiFePO4, батареи сохраняли 91,8% своей емкости после 600 циклов, при кулоновском КПД 99,98%.

Элементы показали первоначальную емкость 147 мАч/г, что указывает на стабильную работу при длительном использовании.

В работе подчеркивается, как структурный контроль на уровне материала может оказывать прямое влияние на производительность батареи. Устранив беспорядок, наблюдаемый в поликристаллических структурах, исследователи смогли повысить эффективность и безопасность литий-металлических систем.

В случае успешного масштабирования этот подход может помочь преодолеть давние ограничения в конструкции аккумуляторов, особенно в приложениях, требующих как высокой плотности энергии, так и долгосрочной стабильности. Сюда входят электромобили, сетевые накопители энергии и другие энергоемкие системы, где безопасность остается критически важной.