Ученые нашли путь к безопасным и долговечным литий-металлическим батареям
Вот уже четверть века человечество пользуется преимуществами, которые дает внедрение литий-ионных аккумуляторов. Не зря в 2019 году за его открытие была присуждена Нобелевская премия по химии, но нам нужно идти дальше — к созданию более совершенных аккумуляторов, и здесь все сводится к целому комплексу проблем, для преодоления которых только фундаментальная наука может помочь – и она помогает.
Одним из перспективных способов увеличения емкости литийсодержащих аккумуляторов является переход на литий-металлические аноды. Анод выделяет ионы в результате химической реакции, когда батарея разряжается, и возвращает их обратно в процесс зарядки для использования в следующем рабочем цикле (разрядке).
Как неоднократно сообщалось, металлический литий является чрезвычайно химически активным веществом. Его использование в аноде аккумуляторов вызывает образование дендритов — тонких литиевых нитей, которые за несколько сотен и даже десятков циклов заряда/разряда могут дорасти до противоположного электрода и вызвать короткое замыкание с последующим возгоранием аккумулятора и опасность пожара. . Жидкий и обычно легковоспламеняющийся электролит в аккумуляторе, который необходим как проводник ионов, только увеличивает эту опасность.
Проблема образования дендритов частично решается переходом на твердые электролиты. Обычно это смесь керамики и полимера.
Оставаясь проводником ионов, твердый электролит замедляет и даже останавливает рост игл металлического лития с анода. Проблема состоит в том, чтобы выбрать оптимальное соотношение керамики и полимера, а также самих материалов, которое не ухудшает цикличность аккумулятора и его эксплуатационные характеристики – емкость, плотность запасаемой энергии, скорость зарядки и другие.
Сложность выбора материала для твердых электролитов заключается в том, что на границе между анодом и электролитом химические и физические процессы протекают в очень тонком пространстве – шириной от 5 до 50 нм. В то же время это критическая область, определяющая работоспособность аккумулятора в целом. Чтобы продолжить движение к более совершенным батареям, важно точно понимать, что там происходит. Ученые обычно используют ядерный магнитный резонанс (МРТ) для исследования химического вещества (атомный) состав данного материала, но не в этом случае. Исследование интерфейса методом ЯМР потребует многих лет измерений, что банально невыгодно никому.
Исследователи израильского Института Вейцмана пока откладывают батареи и ставят перед собой фундаментальную задачу — разработать метод анализа пограничных слоев батарей.
«Одна из вещей, которые мне больше всего нравятся в этом исследовании, заключается в том, что без глубокого научного понимания лежащей в основе физики мы не сможем понять, что происходит в батарее. Наш процесс был очень типичным для работы здесь, в Институте Вейцмана. Мы начали с чисто научного вопроса, который не имел ничего общего с дендритами и который привел нас к исследованиям с практическими результатами, которые могли бы улучшить жизнь всех нас».
говорят участники работы
В конечном итоге ученые улучшили реакцию материала, объединив МРТ с динамической поляризацией ядер, при которой спины электронов лития приводились в движение радиочастотным полем. Это многократно увеличивает реакцию и позволяет буквально за часы, а не годы выявить точный химический состав слоя. Анализ показал, что наиболее оптимальным соотношением керамики и полимера в твердом электролите будет, если керамика удерживает 40% смеси. В этом случае также сохраняется цикличность и работоспособность аккумулятора. Ученые надеются, что результаты их исследований будут стимулировать разработку более совершенных литиевых батарей, и что это произойдет очень скоро.
