Как утверждают исследователи «Penn State», перезаряжаемые литий-металлические батареи, обладающие повышенной плотностью энергии, производительностью и, к тому же безопасные, вполне допустимы к массовому производству. Такое утверждение обусловлено недавно разработанной новой технологией твердого электролита (SEI – Solid Electrolyte Interphase). Спрос на аккумуляторные батареи подобного типа, обладающие высокой плотностью энергии, очень высок. Затрагивает сферы электромобилей, смартфонов, беспилотных летательных аппаратов и т.п.
Критическая стабильность SEI
Ранние технологические проекты демонстрировали критическую стабильность SEI, что виделось существенным препятствием к продвижению конструкций. Основной проблемой отмечалось образование слоя солей на поверхности литиевого электрода батареи, который способствовал изоляции проводимости ионов лития.
Этот технологически важный слой, естественным образом формируется в результате реакции между литием и электролитом, включёнными в состав конструкции аккумулятора. Но реакционное поведение этого слоя вызывает массу проблем. Одна из наименее понятных особенностей литий-металлических батарей — деградация SEI, способствующая развитию дендритов, представляющих собой игольчато-подобные образования.
Такого рода образования «растут» на структуре литиевого электрода батареи и отрицательно влияют на производительность и безопасность конструкции АКБ в целом. И вот, группа исследователей «Penn State» опубликовала новый подход к решению проблемы на страницах «Nature Materials».
Если говорить кратко, новый проект предполагает использование полимерного композита с целью создания значительно улучшенной структуры SEI. Усовершенствованная структура SEI представляет собой химически активный полимерный композит, содержащий:
- полимерные соли лития,
- наночастицы фторида лития,
- листовой оксид графена.
Новая конструкция компонента модернизированной аккумуляторной батареи содержит тонкие слои упомянутых материалов. Именно полимер на основе тонколистовой структуры реагирует удачно, образуя когтистую связь с поверхностью металлического лития.
Пассивная реакция с поверхностью лития исключает реакцию с молекулами электролита. Наноразмерные листы композита действуют как механический барьер для предотвращения образования дендритов из металлического лития.
Отказ от традиционной химии
Как химический, так и технически новый подход обустройства связи между полями позволил технологичнее контролировать поверхность лития в атомном масштабе. Когда разрабатываются аккумуляторы, обязательно рассматривается химия, вплоть до молекулярного уровня. В данном случае традиции пришлось несколько изменить.
Следует отметить: реакционно-способный полимер, кроме всего прочего, способствует уменьшению веса и стоимости производства, что делает будущее литий-металлических батарей ещё более светлым. Стабильный SEI фактически удвоит удельную энергию аккумуляторных источников питания. При этом АКБ обещают стать более долговечными и безопасными.
