Областта на изследване на батериите е осеяна с пречки и тесни места, но има един проблем, който надига глава повече от повечето. Подобни на разклонения израстъци, наречени дендрити, продължават да измъчват дизайните на батерии от следващо поколение от много видове, но нови изследвания, ръководени от MIT, твърдят, че са разкрили корена на проблема и са показали как той може да бъде отхвърлен чрез умното използване на механично напрежение.
Дендритите са тънки метални нишки, подобни на пипала, които могат да се развият върху електрода на литиевата батерия, докато се върти, като се провиват в електролита, за да причинят проблеми като късо съединение, нежелано нагряване и дори пожар. Виждали сме всякакви изобретателни подходи за задушаване на растежа на дендритите, но авторите на това ново изследване вярват, че са внесли нова така необходима яснота по въпроса.
Учените експериментират с твърда батерия, архитектура, която включва твърд електролитен материал, а не конвенционалния течен електролит, когато наблюдават нещо неочаквано. Както в типичната батерия, литиевите йони се преместват между два електрода, докато устройството се зарежда и разрежда, като в този случай те преминават през твърдия електролит.
Изследователите открили, че въпреки че твърдият електролит е направен от сравнително твърд материал, много мекият литий успява да проникне в него, докато йони се движат между електродите от двете страни. Това е резултат от промените в обема на електродите, тъй като те приемат и отлагат литий, което от своя страна може да доведе до проблемно механично напрежение.
„За да се депозира този метал, трябва да има разширяване на обема, защото добавяте нова маса“, каза професорът от MIT Yet-Ming Chiang. „И така, има увеличение на обема от страната на клетката, където се отлага литий. И ако има дори микроскопични дефекти, това ще генерира натиск върху тези дефекти, които могат да причинят напукване.
Тези пукнатини могат след това да позволят да се образуват дендрити, според изследователите. Те успяха да проучат този процес в експериментален електролитен материал, проектиран да бъде прозрачен. Образуването на дендрити обикновено се развива в непрозрачните материали на клетката на батерията, което е една от причините да има противоречиви идеи за това какво го причинява и как да го спрем. Като са в състояние директно да наблюдават феномена, учените са успели да измислят нови начини за предотвратяване на увреждането на дендритите.
В последващи експерименти екипът показа, че е възможно да се приложи механично напрежение, за да се насочи растежът на дендритите, правейки ги зиг и заг перфектно в съответствие с посоката на натиска. Въпреки че не могат да бъдат спрени да се образуват напълно, това означава, че потенциално биха могли да бъдат изпратени да растат на дълги пътища през електрода, вместо да излязат бързо, за да предизвикат хаос в електролита.
Екипът демонстрира това, като използва механичен натиск за огъване на материала и си представете няколко начина за постигане на това в реална батерия. Устройството може да включва материали с различни свойства на топлинно разширение, за да предизвика огъване и на свой ред механично напрежение, или материалите могат да бъдат легирани с атоми, които причиняват изкривявания. Важно е, че натискът, необходим за контролиране на растежа на дендритите, се счита за много постижим, около 150 до 200 мегапаскала, което според екипа не би било трудно за прилагане.
Ако успеят да направят това и проектират батерия, която преодолява проблема с дендритите, като ги накара да растат безвредно през електродите, работата може да отключи многообещаващи архитектури от следващо поколение, като твърдотелни литиево-метални батерии. С чист метален литий, който се използва като един от анодите вместо графит и мед, те биха могли да предложат няколко пъти по-висока енергийна плътност от днешните батерии, като същевременно са по-леки и по-безопасни, тъй като не използват запалими течни електролити.
Оттук нататък екипът се стреми да демонстрира функционална батерия с тази форма на желано механично напрежение, за да насочи посоката на образуване на дендрити.
Изследването е публикувано в списанието Джаул.
източник: MIT
Публикациите се превеждат автоматично с google translate
