Новые литий-металлические батареи: безопаснее и дольше

Несмотря на то, что количество возгораний электромобилей (EV) значительно ниже, чем у автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, пожары в аккумуляторах EV вызывают серьезную озабоченность. После начала теплового разгона и возгорания их чрезвычайно трудно потушить, и они могут повторно воспламениться.

Команда исследователей из POSTECH (профессор Суджин Пак, доктор Дон-Ёб Хан, Гаён Ли) и Университета Чун-Ан (профессор Чангхёк Мун, Сеонгсу Пак) разработала новую трехмерную пористую структуру, которая значительно повышает как срок службы, так и безопасность литий-металлических батарей (LMB). Их работа опубликована в Advanced Materials.

Литий-металлические батареи обещают гораздо более высокую плотность энергии, чем современные литий-ионные батареи, и могут значительно увеличить запас хода электромобилей. Однако основным препятствием для коммерциализации была тенденция лития неравномерно осаждаться во время зарядки и разрядки, образуя игольчатые "дендриты", которые могут пронзать сепараторы и вызывать внутренние короткие замыкания или даже взрывы.

Решение команды простое, но эффективное: они разработали пористую структуру-носитель с прямыми каналами с низкой торкуозностью и встроенным градиентом литофильности, обеспечивающим равномерное осаждение лития снизу вверх. Представьте себе парковку: если въезд узкий, а полосы извилистые, машины скапливаются у въезда. Но если построить широкие прямые пандусы и сделать нижние этажи более просторными, автомобили естественным образом сначала заполнят нижние этажи. Их конструкция электрода применяет этот принцип к ионам лития в батарее.

Используя процесс разделения фаз, индуцированного нерастворителем (NIPS), они создали пористую структуру-носитель, смешивая полимерную матрицу с углеродными нанотрубками (УНТ) и наночастицами серебра (Ag) для повышения электропроводности, одновременно вводя слой Ag на медную подложку для индукции нуклеации лития у основания. В результате осаждение лития снизу вверх с полным подавлением роста дендритов и значительно улучшенной структурной стабильностью.

В тестах батареи, построенные с этим носителем, достигли плотности энергии 398,1 Вт·ч/кг и 1516,8 Вт·ч/л, что значительно превосходит типичные литий-ионные батареи (~250 Вт·ч/кг, ~650 Вт·ч/л). Даже в коммерческих условиях с низким содержанием электролита, тонким литиевым анодом и катодами реального применения, такими как NCM811 и LFP, они продемонстрировали выдающуюся стабильность без коротких замыканий или падения емкости. Применение этого усовершенствования в электромобилях потенциально может увеличить запас хода примерно на 60-70% (например, автомобиль, который в настоящее время преодолевает ~400 км на одном заряде, может достигать ~650-700 км).

Профессор Пак заявил: "Это исследование представляет собой новый способ одновременного контроля путей транспорта ионов и поведения роста лития внутри электродов, без использования сложных производственных процессов. Разработка как "пути", так и "направления" движения лития станет поворотным моментом в продвижении к коммерциализации безопасных литий-металлических батарей с высокой энергией".

Профессор Мун добавил: "Наш процесс позволяет одновременно контролировать микроструктуру и химические градиенты с помощью простого маршрута изготовления, что делает его высокомасштабируемым для промышленного производства".