Ученые из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) разработали новую литий-металлическую батарею, которая может сохранять до 80% емкости после 6 000 циклов заряда-разряда. При этом срок ее полного заряда составляет всего 10 минут. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Materials.
Литий-металлическими называют батареи, в которых вместо графита в качестве анода используется металлический литий. Использование этого материала обеспечивает меньший вес и при этом десятикратно более высокую плотность энергии, чем у литий-ионных аккумуляторов. Однако при эксплуатации литий-металлических батарей на поверхности анода зачастую возникают дендриты (отростки). Эти структуры врастают, как корни, в электролит и пробивают барьер, разделяющий анод и катод, вызывая короткое замыкание или даже возгорание батареи.
Процесс образования дендритов достаточно прост: ионы лития, перемещающиеся от катода к аноду при заряде батареи, собираются в кучу, образуя металлическую частичку, которая постепенно увеличивается в размерах. Электрокинетический потенциал на границе металла и электролита привлекает все новые ионы лития, которые садятся на растущий ком. Из него со временем «вырастает» ус. Отростки частично разрушаются во время разряда батареи, когда ионы лития перемещаются от анода к катоду, однако это приводит к образованию выбоин на поверхности анода, что осложняет дальнейший заряд аккумулятора.
Ученые из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук попытались решить эту проблему за счет размещения на аноде частиц кремния микронного размера. Это позволило сузить границы «литиирования»: ионы лития при заряде батареи прикреплялись к частицам кремния, но не оседали на основной поверхности анода. При этом взаимодействие ионов лития с кремнием приводило к образованию вокруг него слоя металлического лития, по поверхности которого равномерно распределялся электрический ток. Это не только предотвратило возникновение дендритов, но и сократило время заряда до 10 минут.
Авторы исследования создали и протестировали прототип литий-металлической батареи размером с почтовую марку. Прототип смог сохранить 80% своей емкости после 6 000 циклов заряда-разряда, что превосходит показатели большинства представленных на рынке аккумуляторов. Коммерциализация разработки в перспективе может резко увеличить запас хода электромобилей.
