Ученые из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC разработали покрытие, препятствующее возникновению дендритов, — главного дефекта литий-металлических батарей. Предполагается, что такие батареи станут полноценной заменой более тяжелых и менее емких литий-ионных аккумуляторов.
Дендриты — крошечные древовидные структуры, похожие на усики выступы, которые появляются между положительными и отрицательными полюсами и вредят аккумуляторам: разрушают их защитный слой и приводят к замыканиям и возгораниям.
Такие отростки характерны для литий-металлических батарей, которые уже несколько лет рассматривают как альтернативу нынешним литий-ионным батареям. Однако дендриты пока мешают им полноценно выйти на рынок.
Новое покрытие сдерживает развитие дендритов благодаря сети молекул, которые равномерно проводят ионы лития через электрод. Оно предотвращает нежелательную химическую реакцию, типичную для этих батарей, и сокращает накопление химических веществ на аноде — причину быстрого снижения производительности аккумулятора.
Разработку ученые протестировали на аноде, где обычно и скапливаются дендриты. После 160 циклов литий-металлические ячейки все еще выдавали 85% энергии. Обычные батареи без покрытия могли обеспечить лишь 30% первоначального заряда, если дело не доходило до взрыва.
«Покрытие делает литий-металлические батареи стабильными, многообещающими системами для дальнейшего развития».
Чжао Ю, профессор Стэнфордского университета, соавтор исследования
Литий-металлические по сравнению с литий-ионным батареями обладают двумя ключевыми преимуществами. Прежде всего, они намного легче, поскольку их анод сделан из лития, а не из графита. И самое главное — эти аккумуляторы способны хранить гораздо больше энергии, чем литий-ионные. Как минимум, на 33% больше или на одну треть на единицу массы.
А с новым покрытием увеличится и их срок службы. Так, литий-ионные батареи стабильно работают от семи до десяти лет. Ученые надеются, что новые батареи будут служить дольше.
Где планируют применять литий-металлические аккумуляторы? Разумеется, в гаджетах и различной носимой электронике. Также они будут востребованы в электрических автомобилях, функционирующих на батареях. Например, сейчас около четверти всей емкости батареи уходит на транспортировку самого блока питания.
Ожидается, что с литий-металлическими батареями такого не будет, а количество электромобилей вырастет в разы.
«Применение в электромобилях кажется конечной целью. Но вывод на рынок, вероятно, начнется, с потребительской электроники, демонстрирующей безопасность батарей».
И Цуй, старший автор, профессор Национальной ускорительной лаборатории SLAC
Впервые об этой технологии заговорили в 2015 году, когда те же ученые из Стэнфордского университета разработали средство от возгорания аккумуляторов, который представляет собой слой меди, помещенный между анодом и катодом.
Но, как и в случае с большинством инноваций, вывести технологию за пределы лаборатории будет не так-то просто. Более того, покрытие решает только часть проблем, связанных с литий-металлическими аккумуляторами. Сейчас команда совершенствует материал, чтобы увеличить объем удерживаемой емкости и количество циклов.
Падение цен на литий-ионные батареи — еще один немаловажный фактор, который может отсрочить выход новых типов аккумуляторов. По мнению аналитиков Bloomberg New Energy Finance, которые в декабре 2018 года опубликовали ежегодный доклад о состоянии рынка литий-ионных аккумуляторов, новые разработки не смогут соперничать с дешевыми, хотя и менее эффективными литий-ионными, еще очень долгое время.
С 2010 года цена на литий-ионные батареи упала на 85% — до 176 долларов за 1 кВт*ч. И продолжит снижаться: до 94 долларов за 1 кВт*ч к 2024 и до 62 долларов — к 2030 году.