Екип от MIT е създал литиево-метален анод, който може да подобри дълголетието и енергийната плътност на бъдещите батерии.
Ново изследване на инженери от Масачузетския технологичен институт и другаде може да доведе до батерии, които могат да съберат повече мощност на килограм и да издържат по-дълго, въз основа на дълго търсената цел за използване на чист литиев метал като един от двата електрода на батерията, анода.
Новата концепция за електроди идва от лабораторията на Джу Ли, професор по ядрени науки и инженерство в Battelle Energy Alliance и професор по материалознание и инженерство. Това е описано днес в списание Nature, в статия, написана в съавторство от Yuming Chen и Ziqiang Wang от MIT, заедно с 11 други в MIT и в Хонконг, Флорида и Тексас.
Дизайнът е част от концепция за разработване на безопасни изцяло твърдотелни батерии, без течността или полимерния гел, обикновено използван като електролитен материал между двата електрода на батерията. Електролитът позволява на литиевите йони да се движат напред-назад по време на циклите на зареждане и разреждане на батерията, а изцяло твърдата версия може да бъде по-безопасна от течните електролити, които имат висока летливост и са били източник на експлозии в литиевите батерии.
„Имаше много работа по твърдотелни батерии с литиево-метални електроди и твърди електролити“, казва Ли, но тези усилия са изправени пред редица проблеми.
Един от най-големите проблеми е, че когато батерията е заредена, атомите се натрупват вътре в металния литий, което го кара да се разширява. След това металът отново се свива по време на разреждане, тъй като батерията се използва. Тези повтарящи се промени в размерите на метала, донякъде като процеса на вдишване и издишване, затрудняват твърдите вещества да поддържат постоянен контакт и са склонни да причинят счупване или отделяне на твърдия електролит.
Друг проблем е, че нито един от предложените твърди електролити не е наистина химически стабилен, докато е в контакт със силно реактивния литиев метал, и те са склонни да се разграждат с течение на времето.
Повечето опити за преодоляване на тези проблеми са фокусирани върху проектирането на твърди електролитни материали, които са абсолютно стабилни срещу металния литий, което се оказва трудно. Вместо това Ли и неговият екип възприеха необичаен дизайн, който използва два допълнителни класа твърди вещества, „смесени йонно-електронни проводници“ (MIEC) и „електронни и литиево-йонни изолатори“ (ELI), които са абсолютно химически стабилен при контакт с метален литий.
Изследователите разработиха триизмерна наноархитектура под формата на подобен на пчелна пита масив от шестоъгълни MIEC тръби, частично напоени с твърдия литиев метал, за да образуват един електрод на батерията, но с допълнително пространство, оставено във всяка тръба. Когато литият се разширява в процеса на зареждане, той се влива в празното пространство във вътрешността на тръбите, движейки се като течност, въпреки че запазва твърдата си кристална структура. Този поток, изцяло ограничен вътре в структурата на пчелна пита, облекчава налягането от разширението, причинено от зареждането, но без да променя външните размери на електрода или границата между електрода и електролита. Другият материал, ELI, служи като решаващо механично свързващо вещество между стените на MIEC и твърдия електролитен слой.
„Ние проектирахме тази структура, която ни дава триизмерни електроди, като пчелна пита“, казва Ли. Празните пространства във всяка тръба на структурата позволяват на лития да „пълзи назад“ в тръбите, „и по този начин не създава напрежение, което да напука твърдия електролит.“ Разширяването и свиващият се литий вътре в тези тръби се движи навътре и навън, нещо като бутала на автомобилни двигатели в техните цилиндри. Тъй като тези структури са изградени в наномащабни размери (тръбите са с диаметър около 100 до 300 нанометра и десетки микрони височина), резултатът е като "двигател с 10 милиарда бутала, с метален литий като работна течност, “, казва Ли.
Тъй като стените на тези подобни на пчелна пита структури са направени от химически стабилен MIEC, литият никога не губи електрически контакт с материала, казва Ли. По този начин цялата твърда батерия може да остане механично и химически стабилна, докато преминава през своите цикли на използване. Екипът е доказал концепцията експериментално, подлагайки тестово устройство през 100 цикъла на зареждане и разреждане, без да се получи разрушаване на твърдите частици.
Реверсивно литиево метално покритие и оголване във въглеродна тръба с вътрешен диаметър 100 nm. С любезното съдействие на изследователите.
Ли казва, че въпреки че много други групи работят върху това, което наричат твърди батерии, повечето от тези системи всъщност работят по-добре с някакъв течен електролит, смесен с твърдия електролитен материал. „Но в нашия случай,“ казва той, „наистина всичко е солидно. В него няма никаква течност или гел.â
Новата система може да доведе до безопасни аноди, които тежат само една четвърт от конвенционалните си аналози в литиево-йонни батерии, за същия капацитет за съхранение. Ако се комбинира с нови концепции за олекотени версии на другия електрод, катода, тази работа може да доведе до значително намаляване на общото тегло на литиево-йонните батерии. Например, екипът се надява, че може да доведе до мобилни телефони, които могат да се зареждат само веднъж на всеки три дни, без да правят телефоните по-тежки или по-обемисти.
Една нова концепция за по-лек катод беше описана от друг екип, ръководен от Ли, в статия, която се появи миналия месец в списанието Nature Energy, съавтор на MIT postdoc Zhi Zhu и студента Daiwei Yu. Материалът ще намали употребата на никел и кобалт, които са скъпи и токсични и се използват в съвременните катоди. Новият катод не разчита само на приноса на капацитета от тези преходни метали при цикъла на батерията. Вместо това ще разчита повече на редокс капацитета на кислорода, който е много по-лек и по-изобилен. Но в този процес кислородните йони стават по-подвижни, което може да ги накара да избягат от катодните частици. Изследователите са използвали високотемпературна повърхностна обработка с разтопена сол, за да произведат защитен повърхностен слой върху частици от богат на манган и литий метален оксид, така че количеството загуба на кислород е драстично намалено.
Въпреки че повърхностният слой е много тънък, с дебелина само 5 до 20 нанометра върху частица с ширина 400 нанометра, той осигурява добра защита за основния материал. „Това е почти като имунизация“, казва Ли, срещу разрушителните ефекти от загубата на кислород в батериите, използвани при стайна температура. Настоящите версии осигуряват най-малко 50 процента подобрение в количеството енергия, което може да се съхранява за дадено тегло, с много по-добра стабилност при колоездене.
Екипът досега е създал само малки лабораторни устройства, но „очаквам, че това може да се увеличи много бързо“, казва Ли. Необходимите материали, предимно манган, са значително по-евтини от никела или кобалта, използвани от други системи, така че тези катоди биха могли да струват само една пета от конвенционалните версии.
Изследователските екипи включваха изследователи от Масачузетския технологичен институт, Хонконгския политехнически университет, Университета на Централна Флорида, Тексаския университет в Остин и Националните лаборатории Брукхейвън в Ъптън, Ню Йорк. Работата беше подкрепена от Националната научна фондация.
