Команда из Гарварда разработала экспериментальную конструкцию твердотельной батареи

Команда из Гарварда разработала конструкцию твердотельной батареи, в которой используется иерархия стабильности интерфейса (для реакции металлического лития) для достижения сверхвысокой плотности тока без проникновения дендритов лития.

Циклические характеристики литий-металлического анода в паре с катодом из LiNi0,8Mn0,1Co0,1O2 очень стабильны, с сохранением емкости 82% после 10000 циклов при 20 ° C и 81,3% емкости после 2000 циклов при 1,5 ° C.

Конструкция также обеспечивает удельную мощность 110,6 кВт/кг и удельную энергию до 631,1 Втч/кг на уровне материала катода микрометрового размера. Статья о данной работе была опубликована в журнале Nature.

Основной проблемой литий-металлических батарей, в которых анод сделан из металлического лития, является образование дендритов на поверхности анода. Эти игольчатые структуры прорастают в электролит и протыкают сепаратор, вызывая короткое замыкание или возгорание аккумулятора.

Хотя ожидается, что твердотельные электролиты подавят образование дендритов, трещины микрометрового или субмикронного размера в керамических гранулах могут часто образовываться во время сборки батареи или длительной работы. По словам исследователей, после образования трещин проникновение дендрита лития неизбежно.

Чтобы преодолеть эту проблему, Йе Ли и его команда разработали многослойную батарею, в которой между анодом и катодом размещены различные материалы разной стабильности. Эта многослойная батарея из разных материалов предотвращает проникновение дендритов лития не за счет их полной остановки, а за счет их контроля и сдерживания.

Многослойная конструкция имеет структуру менее стабильного электролита, зажатого между более стабильными твердыми электролитами, что предотвращает любой рост дендрита лития за счет хорошо локализованного разложения в менее стабильном слое электролита. Предложен механизм, аналогичный эффекту расширительного винта, при котором любые трещины заполняются динамически генерируемыми разложениями.

Первый электролит (Li5,5PS4,5Cl1,5, LPSCI) более стабилен с литием, но склонен к проникновению дендритов. Второй электролит (Li10Ge1P2S12, LGPS) менее стабилен с литием, но кажется невосприимчивым к дендритам.

В этой конструкции дендритам позволяют прорастать через графит и первый электролит, но они останавливаются, когда достигают второго.

Аккумулятор также самовосстанавливающийся, его химический состав позволяет ему заполнять дыры, созданные дендритами.

Эта экспериментальная конструкция показывает, что литий-металлические твердотельные батареи могут конкурировать с коммерческими литий-ионными батареями. Гибкость и универсальность многослойной конструкции делает её потенциально совместимой с процедурами массового производства в аккумуляторной промышленности. Масштабировать разработку до коммерческой батареи будет непросто, всё ещё есть некоторые практические проблемы, но их можно преодолеть.