Прорыв в области аккумуляторов для электромобилей, совершённый в Корее, может способствовать внедрению литий-металлических технологий.
(Изображение предоставлено: KTSDesign/SCIENCEPHOTOLIBRARY через Getty Images)
Ученые применили хитрый химический трюк, чтобы решить серьезную проблему, с которой столкнутся производители аккумуляторов будущего. Их открытие открывает путь к созданию аккумуляторов нового поколения для электромобилей (EV), способных обеспечить запас хода в 500 миль (800 километров) на одной 12-минутной зарядке.
Литий-металлические аккумуляторы отличаются от стандартных литий-ионных аккумуляторов тем, что графитовый анод заменён на металлический литий. По словам исследователей, в заявлении говорится, что такие конструкции обеспечивают гораздо более высокую плотность энергии.
Для водителей электромобилей это означает, что аккумуляторы будут заряжаться быстрее и проезжать большее расстояние. Но учёным не удалось создать эффективные литий-металлические аккумуляторы из-за «дендритов» — разветвлённого кристаллического вещества, которое образуется на аноде во время зарядки и со временем снижает производительность аккумулятора. Ситуация усугубляется при быстрой зарядке и повышает риск короткого замыкания аккумулятора.
Но в новом исследовании, опубликованном 3 сентября в журнале Nature Energy, учёные нашли способ остановить рост дендритов.
Секрет заключается в новом типе жидкого электролита. Жидкий электролит, «подавляющий когезию», препятствует росту дендритов, повышая скорость зарядки аккумуляторов и продлевая срок их службы до более чем 185 000 миль (300 000 км), как сообщили исследователи.
И литий-ионные, и литий-металлические аккумуляторы содержат жидкий электролит, который переносит ионы лития между катодом и анодом во время зарядки и разрядки аккумулятора. Разница, как уже упоминалось, между этими двумя типами аккумуляторов заключается в том, что в литий-ионном аккумуляторе графит заменён на металлический литий.
В физике аккумуляторов под плотностью энергии понимается количество энергии, которое может хранить аккумулятор, относительно его веса или объёма. Это ключевой фактор, определяющий, какое расстояние электромобиль может проехать на одном заряде.
Исследовательская группа обнаружила, что основной причиной образования дендритов является «неравномерная межфазная адгезия на поверхности металлического лития», говорится в заявлении исследователей. Другими словами, они выяснили, что ионы лития не распределяются равномерно по аноду во время зарядки, создавая слабые места, в которых могут начать формироваться дендриты.
Чтобы решить эту проблему, они разработали жидкий электролит с химической структурой, которая обеспечивает более равномерное распределение ионов по поверхности анода и предотвращает их скопление в дендриты.
В ходе лабораторных испытаний аккумулятор заряжался с 5 % до 70 % за 12 минут и сохранял эту скорость в течение 350 циклов. По словам учёных, версия с большей ёмкостью заряжалась до 80 % за 17 минут в течение 180 циклов зарядки.
«Это исследование стало ключевой основой для решения технических проблем, связанных с литий-металлическими аккумуляторами, благодаря пониманию структуры межфазной поверхности», — говорится в заявлении соавтора исследования Хи Така Кима, профессора химической и биомолекулярной инженерии в Корейском передовом институте науки и технологий (KAIST).
«Это позволило преодолеть самое большое препятствие на пути к внедрению литий-металлических аккумуляторов для электромобилей».