Cum să preveniți scurtcircuitele în următoarea generație de baterii cu litiu? MIT a găsit o nouă metodă

Pe măsură ce cercetătorii continuă să depășească limitele designului bateriilor și caută să încadreze mai multă putere și energie într-un anumit spațiu sau greutate, una dintre cele mai promițătoare tehnologii studiate este bateriile litiu-ion, care folosesc materiale electrolitice solide între doi electrozi în loc de lichide tipice.

Dar acest tip de baterie a fost întotdeauna afectat de o tendință de formare a unei proeminențe metalice ramificate pe unul dintre electrozi, conectând în cele din urmă electrolitul și provocând scurtcircuitarea bateriei. Acum, cercetătorii de la MIT și din alte părți au găsit o modalitate de a preveni formarea dendritelor, care ar putea elibera potențialul acestui nou tip de baterie de înaltă energie.

Rezultatele cercetării au fost publicate în revista Natural Energy și au fost finalizate împreună de studenții absolvenți Richard Parker, profesorul Jiang Huiming și profesorul Craig Carter de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts, precum și alți șapte de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts, Universitatea Texas A&M. , Universitatea Brown și Universitatea Carnegie Mellon.

Jiang a explicat că bateriile cu stare solidă sunt o tehnologie care a fost căutată de mult timp din două motive: siguranță și densitate energetică. Cu toate acestea, el a spus: „Singura modalitate de a obține această densitate de energie interesantă este utilizarea electrozilor metalici”. El a spus că, deși electrozii metalici pot fi încă combinați cu electroliți lichizi pentru a obține o densitate energetică bună, acest lucru nu oferă aceleași avantaje de siguranță ca electroliții solizi.

El a spus că bateriile cu stare solidă au sens doar pe electrozii metalici, dar încercările de a dezvolta astfel de baterii au fost împiedicate de creșterea dendritică, care în cele din urmă conectează golul dintre cele două plăci de electrozi, provocând un scurtcircuit al circuitului, slăbind sau dezactivând celulele din bateria.

Știm deja că atunci când curentul este mare, dendritele se formează mai repede, ceea ce este de obicei necesar pentru încărcare rapidă. Până acum, densitatea de curent obținută în bateriile experimentale cu stare solidă este mult mai mică decât densitatea de curent necesară pentru bateriile reîncărcabile comerciale reale. Dar Jiang a spus că această perspectivă merită urmărită, deoarece versiunea experimentală a acestei baterii poate stoca de două ori energia bateriilor tradiționale litiu-ion.

Echipa a rezolvat problema dendritelor făcând compromisuri între starea solidă și cea lichidă. Au realizat un electrod semisolid în contact cu materialul electrolit solid. Electrodul semi-solid oferă o suprafață de auto-vindecare la interfață, mai degrabă decât o suprafață solidă fragilă, care poate duce la mici fisuri și poate oferi sămânța inițială pentru formarea dendritei.

Această idee a fost inspirată de bateriile experimentale de înaltă temperatură, în care unul sau ambii electrozi sunt compuși din metal topit. Potrivit primului autor al lucrării, Park, nu este posibil să se utilizeze o baterie de metal topit de câteva sute de grade pentru dispozitive portabile, dar această lucrare demonstrează că interfețele lichide pot atinge densitate mare de curent fără a forma dendrite. Park a spus: „Motivația noastră este să dezvoltăm electrozi bazați pe aliaje atent selectate pentru a introduce o fază lichidă care poate servi ca element de auto-vindecare pentru electrozii metalici”.

El a explicat că acest material are o soliditate mai puternică decât un lichid, dar este similar cu amalgamul folosit de stomatologi pentru a umple cavitățile, dar poate curge și forma forme. La temperatura normală de funcționare a bateriei, aceasta va fi într-o stare în care există simultan ambele faze solide și lichide. În acest caz, faza solidă este compusă dintr-un amestec de sodiu și potasiu. Jiang a spus că echipa de cercetare a demonstrat că este posibil să funcționeze sistemul la un curent de 20 de ori mai mare decât utilizarea litiului solid, fără a forma dendrite. Următorul pas este replicarea acestei performanțe folosind un electrod de litiu real.

În cea de-a doua versiune a bateriei cu stare solidă, echipa a introdus un strat foarte subțire de aliaj de sodiu și potasiu lichid între electrodul cu litiu în stare solidă și electrolitul în stare solidă. Ei indică faptul că această metodă poate depăși și problemele dendritice, oferind o altă abordare pentru cercetări ulterioare.

Jiang a spus că această nouă metodă poate fi aplicată cu ușurință la multe versiuni diferite de baterii cu litiu cu stare solidă, iar cercetătorii din întreaga lume studiază în prezent acest tip de baterie. El a spus că următorul pas pentru echipă va fi să demonstreze aplicabilitatea sistemului în diferite arhitecturi de baterii. Coautor Viswanatan, profesor de inginerie mecanică la Universitatea Carnegie Mellon, a declarat: „Credem că putem transforma această metodă în orice baterie litiu-ion cu stare solidă. Credem că poate fi aplicată imediat în dezvoltarea bateriilor, utilizate pe scară largă în dispozitivele portabile. , vehicule electrice și câmpuri electrice.”