Новая стратегия плакирования металла для стабильности аккумуляторов

Анодно-свободные металлические аккумуляторы представляют собой перспективную конструкцию, исключающую использование готовых анодов для достижения максимальной плотности энергии. В таких магниевых (Mg) аккумуляторах вместо стандартного Mg-анода применяется лишь токосъемник из обычного металла (например, меди (Cu) или цинка (Zn)) в качестве анодной стороны.

При первой зарядке аккумулятора Mg из катода откладывается непосредственно на токосъемник, формируя тонкий слой Mg, который затем функционирует как анод. Это исключает необходимость в избыточных анодных материалах, делая аккумуляторы легче, компактнее и дешевле. Однако, к сожалению, эти аккумуляторы страдают от образования дендритов – наростов, которые существенно снижают емкость, стабильность и создают риск короткого замыкания, что ограничивает их практическое применение.

Исследовательская группа под руководством доцента Хи-Дэ Лима из Департамента химической инженерии Университета Ханьян в Южной Корее разработала новую стратегию плакирования металла с управлением по граням кристаллов (facet-guided), призванную решить эту проблему.

«Мы предложили кристаллографическую стратегию для контролируемого осаждения Mg, используя ориентированный по граням кристалла Zn-хост с физико-химически полированной поверхностью», — поясняет доктор Лим. Их исследование опубликовано в журнале Advanced Energy Materials.

Обычно в качестве токосъемников используются поликристаллические материалы со случайной ориентацией зерен и большим количеством границ зерен. Зерна — это небольшие области металла, в которых атомы расположены в определенном направлении. Границы зерен создают неровную поверхность и «горячие точки», где атомы Mg накапливаются во время плакирования, приводя к вертикальному росту Mg и, как следствие, к образованию дендритов.

Исследователи применили три ключевых подхода для решения этой задачи:

1. Выбор Zn в качестве основного металла: цинк структурно схож с магнием.
2. Создание (002) грани Zn-хоста: они модифицировали Zn-хост таким образом, чтобы он избирательно экспонировал термодинамически стабильную (002) грань. Это обеспечивает магнию гладкий путь для быстрого и равномерного распределения по поверхности. Для достижения этой грани авторы подвергли чистый Zn-фольгу (B-Zn) процессу термического отжига.
3. Минимизация влияния границ зерен: полученный субстрат B-Zn(002) был обработан реактивным ионным травлением, в результате чего был получен P-Zn(002) с физико-химически полированной поверхностью.

В результате электрохимических испытаний эта стратегия эффективно подавляла образование дендритов и повышала стабильность аккумулятора благодаря равномерному, горизонтальному росту Mg. В частности, полностью анодно-свободный Mg-элемент с P-Zn(002) сохранил 87,58% своей первоначальной емкости после более чем 900 циклов при высокой плотности тока 200 мА г^-1, что значительно превышает типичные рабочие условия.

«Наша платформа Mg-металла с управлением по граням кристаллов может привести к разработке Mg-металл-аккумуляторов нового поколения с высокой плотностью энергии, которые будут ценны для будущей инфраструктуры интеллектуальных энергосетей, основанных на возобновляемых источниках энергии», — отмечает доктор Лим.

Этот прорыв демонстрирует, как кристаллографический контроль может способствовать созданию стабильных анодных поверхностей, открывая путь к практическому применению анодно-свободных Mg-металл-аккумуляторов.