Kako spriječiti kratke spojeve u sljedećoj generaciji litijumskih baterija? MIT je pronašao novu metodu

Kako istraživači nastavljaju da probijaju granice dizajna baterija i nastoje da uklope više snage i energije u dati prostor ili težinu, jedna od obećavajućih tehnologija koje se proučavaju su litijum-jonske baterije, koje koriste čvrste elektrolitne materijale između dvije elektrode umjesto tipične tečnosti.

Ali ovu vrstu baterija oduvijek je mučio trend formiranja razgranate metalne izbočine na jednoj od elektroda, koja na kraju povezuje elektrolit i uzrokuje kratki spoj. Sada su istraživači na MIT-u i drugdje pronašli način da spriječe stvaranje dendrita, koji bi mogli osloboditi potencijal ove nove vrste visokoenergetskih baterija.

Nalazi istraživanja objavljeni su u časopisu Natural Energy, a zajedno su ih završili diplomirani studenti Richard Parker, profesor Jiang Huiming i profesor Craig Carter sa Massachusetts Institute of Technology, kao i još sedam drugih sa Massachusetts Institute of Technology, Texas A&M University , Brown University i Carnegie Mellon University.

Jiang je objasnio da su solid-state baterije tehnologija koja je dugo tražena iz dva razloga: sigurnosti i gustine energije. Međutim, rekao je: "Jedini način da se postigne ova zanimljiva gustoća energije je korištenje metalnih elektroda." Rekao je da iako se metalne elektrode još uvijek mogu kombinirati s tekućim elektrolitima kako bi se postigla dobra gustoća energije, to ne pruža iste sigurnosne prednosti kao čvrsti elektroliti.

Rekao je da solid-state baterije imaju smisla samo na metalnim elektrodama, ali pokušaji da se razviju takve baterije su ometani rastom dendrita, koji na kraju povezuje jaz između dvije elektrodne ploče, uzrokujući kratki spoj, slabeći ili deaktivirajući ćelije u baterija.

Već znamo da kada je struja velika, dendriti se brže formiraju, što je obično potrebno za brzo punjenje. Do sada je gustina struje dobijena u eksperimentalnim solid-state baterijama mnogo niža od gustine struje potrebne za stvarne komercijalne punjive baterije. Ali Jiang je rekao da je ova perspektiva vrijedna nastojanja jer eksperimentalna verzija ove baterije može pohraniti dvostruko više energije od tradicionalnih litijum-jonskih baterija.

Tim je riješio problem dendrita praveći kompromise između čvrstog i tečnog stanja. Napravili su polučvrstu elektrodu u kontaktu sa čvrstim elektrolitskim materijalom. Polučvrsta elektroda pruža samozacjeljujuću površinu na međuprostoru, a ne krhku čvrstu površinu, što može dovesti do malih pukotina i osigurati početno sjeme za formiranje dendrita.

Ova ideja inspirirana je eksperimentalnim baterijama visoke temperature, gdje su jedna ili obje elektrode sastavljene od rastopljenog metala. Prema prvom autoru rada, Parku, nije moguće koristiti bateriju od rastopljenog metala od nekoliko stotina stupnjeva za prijenosne uređaje, ali ovaj rad pokazuje da tekući interfejsi mogu postići visoku gustinu struje bez formiranja dendrita. Park je rekao: "Naša motivacija je da razvijemo elektrode bazirane na pažljivo odabranim legurama kako bismo uveli tečnu fazu koja može poslužiti kao samozacjeljujući element za metalne elektrode."

On je objasnio da ovaj materijal ima jaču čvrstoću od tečnosti, ali je sličan amalgamu koji stomatolozi koriste za popunjavanje karijesa, ali i dalje može da teče i formira oblike. Pri normalnoj radnoj temperaturi baterija će biti u stanju u kojem istovremeno postoje i čvrsta i tečna faza. U ovom slučaju, čvrsta faza se sastoji od mješavine natrijuma i kalija. Jiang je rekao da je istraživački tim dokazao da je moguće upravljati sistemom na struji koja je 20 puta veća od struje čvrstog litijuma bez stvaranja dendrita. Sljedeći korak je repliciranje ove izvedbe koristeći stvarnu litijumsku elektrodu.

U drugoj verziji solid-state baterije, tim je uveo vrlo tanak sloj tečne legure natrijum-kalijuma između čvrste litijumske elektrode i čvrstog elektrolita. Oni ukazuju da ova metoda također može prevladati dendritske probleme, pružajući još jedan pristup za dalja istraživanja.

Jiang je rekao da se ova nova metoda može lako primijeniti na mnoge različite verzije čvrstih litijumskih baterija, a istraživači širom svijeta trenutno proučavaju ovu vrstu baterija. Rekao je da će sljedeći korak za tim biti demonstracija primjenjivosti sistema u različitim arhitekturama baterija. Koautor Viswanatan, profesor mašinstva na Univerzitetu Carnegie Mellon, rekao je: "Vjerujemo da ovu metodu možemo transformirati u bilo koju litijum-jonsku bateriju u čvrstom stanju. Vjerujemo da se može odmah primijeniti u razvoju baterija, koja se široko koristi u ručnim uređajima , električna vozila i električna polja."