Ученые усовершенствовали литий-металлические аккумуляторы, сократив время их зарядки до одного часа. Они заменили медные поверхности на анодах на фторид лития и железо, что прекратило формирование литиевых шипиков, снижающих производительность аккумуляторов. Полученные конструкции могут использоваться в электромобилях и телефонах. Результаты исследования опубликованы в Nature Energy.
Литий-металлические аккумуляторы повсеместно используются в электромобилях, сотовых телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах и видеокамерах. Конструкцию этих аккумуляторов можно разделить на две половины — катодную и анодную с изолирующим слоем посередине. При зарядке аккумулятора ионы лития (Li+) переходят из катодной части в анодную, где связываются с электронами и формируют кристаллы лития. На медных поверхностях, которые сегодня используют на аноде, кристаллы лития образуют литиевые дендриты, снижающие производительность аккумуляторов. Защититься от них можно, но для этого надо серьезно замедлить зарядку. Следовательно, возникает дилемма — удобная быстрая зарядка, при которой образуются дендриты, или долгая, при которой аккумулятор прослужит дольше. Поэтому сегодня исследователи пытаются создать аккумуляторы, которые можно быстро заряжать и которые при этом не будут сильно изнашиваться.
Американские ученые разработали способ, сохраняющий производительность литиевых батарей при быстрой зарядке. Чтобы вырастить кристаллы металлического лития без шипиков, исследователи заменили медные поверхности на слой, состоящий из фторида лития (LiF) и железа (Fe). На этой поверхности образовывались затравки кристаллов лития, из которых вырастали плотные слои лития. В частности, железо обеспечивало обильные места для зарождения, а фторид лития — быстрый перенос лития. Дендриты не появлялись даже при быстрой зарядке аккумулятора. Аккумуляторы сохраняли 80% своей емкости после 130 циклов зарядки, что на 550% лучше типичных литиевых аккумуляторов. При этом время зарядки сократилось до одного часа. Таким образом, новые аккумуляторы могут широко использоваться в технике и автомобилестроении.
«Мы бросили вызов традиционному представлению о том, какая поверхность необходима для выращивания кристаллов лития. Преобладает мнение, что литий лучше растет на поверхностях, которые ему нравятся, на литиофильных поверхностях. В этой работе мы показываем, что это не всегда так. Используемая нами подложка не любит литий. Тем не менее он обеспечивает обильные места зарождения наряду с быстрым перемещением лития по поверхности. Эти два фактора приводят к росту этих красивых кристаллов. Это хороший пример научного понимания решения технической проблемы», — рассказывают авторы исследования.
Автор: Анна Дегтярь.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
