Твердотельная батарея: что нужно знать о литий-ионном преемнике

Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы являются аккумуляторной батареей для смартфонов и большинства других современных гаджетов с батарейным питанием. Несмотря на свою распространенность, литий-ионные аккумуляторы имеют ограниченную плотность мощности, имеют достаточно короткий срок службы и могут стать причиной пожара в случае повреждения или неправильной зарядки. Эти недостатки могут остаться в прошлом в недалеком будущем, если гаджеты перейдут на технологии твердотельных аккумуляторов.

Новое исследование, проведенное командой инженеров Колумбийского университета через phys.org, позволило найти метод стабилизации твердых электролитов в металлическом литии, то есть твердотельных батареях. Использование нанопокрытия на основе нитрида бора позволяет получить батареи, которые в 10 раз превосходят заряд литий-ионных батарей на основе графита. Кроме того, керамические электролиты, часто используемые в конструкции твердотельных батарей, не горючи, что снижает безопасность.

Технология твердотельных батарей не является новой идеей, но строительные материалы, безопасность конструкции, затраты и технологии производства мешают внедрению. Чтобы понять, почему давайте немного углубимся в традиционные литий-ионные аккумуляторы и почему их не так просто заменить.

Беда с дендритами

Помимо затрат, дендриты являются самой большой проблемой с твердотельными батареями. Дендрит представляет собой кристаллоподобное образование металлического лития, которое обычно начинается на аноде и может расти по всей батарее. Это происходит в результате сильного тока зарядки и разрядки, когда ионы в твердом электролите соединяются с электронами, образуя слой твердого металлического лития.

Накопление дендритов уменьшает доступную емкость электролита батареи, уменьшая ее запас заряда. Хуже того, большое накопление дендритов в конечном итоге пробьет катодный / анодный сепаратор аккумулятора, вызывая короткое замыкание, которое разрушит аккумулятор и может вызвать пожар.

STRN Чрезмерный рост литий-металлического дендрита может привести к короткому замыканию батареи.

Современные литий-ионные батареи позволяют обойти проблему дендритов, используя жидкие электролиты для проводящих путей, а не твердый металл, который позволил бы упаковывать ионы ближе друг к другу для большей емкости. К сожалению, эта жидкость легко воспламеняется, что может привести к возгоранию литий-ионных батарей под высоким давлением, нагревом или током. Графит затем часто используется в интеркалированном литиевом анодном материале, предлагая долговременную стабильность при некотором расходе до максимального расхода заряда. Сплавы на основе графена и кремния показали свою долю экспериментов по улучшению характеристик.

Комбинированные химикаты, материалы и конструкция литий-ионных аккумуляторов ограничивают образование дендритов, существенно снижая и контролируя поток ионов. Компромисс – это потеря плотности и емкости батареи, а также повышенная воспламеняемость и необходимость обеспечения безопасности. Твердотельные литий-металлические батареи считаются святым Граалем работы перезаряжаемых батарей, но их гораздо сложнее стабилизировать, чем жидкие литий-ионные элементы.

Как новое исследование решает проблему

Исследования группы инженеров Колумбийского университета, проведенные с коллегами из Брукхейвенской национальной лаборатории и городского университета Нью-Йорка, предлагают решение проблемы дендритов для твердотельных батарей.

Нанопленка от 5 до 10 нм нитрида бора (BN) изолирует металлический литий и ионный проводник. Изолирование двух слоев предотвращает накопление дендритов или короткое замыкание, но является достаточно тонким, чтобы максимизировать плотность энергии батареи. В технологии также используется небольшое количество жидкого электролита, но в конструкции преимущественно используется керамическая твердотельная конструкция для максимальной энергоемкости. Этот слой BN имеет встроенные дефекты, что позволяет ионам лития проходить через него для зарядки и разрядки батареи.

мы разработали литиево-металлический «жилет» для нестабильных твердых электролитов и благодаря этой инновации достигли литиево-металлических батарей с длительным циклом работы.

Короче говоря, команда создала очень тонкий барьер, который предотвращает возникновение дендритов. Это, в свою очередь, позволяет использовать очень компактные керамические электролиты, которые обладают большей емкостью, чем традиционные литий-ионные аккумуляторы, снижают риск возникновения пожара и продлевают срок службы батарей. На следующем этапе исследований будет изучен более широкий спектр нестабильных твердых электролитов и проведена оптимизация производства.

Технология жидких и твердотельных батарей

Команда инженеров Колумбийского университета – не единственная игра в городе для технологии твердотельных батарей. Конструкции на основе материалов LiPON, LGPS и LLZO также исследуются с целью замены современных литий-ионных батарей. Большинство из них стремятся к достижению аналогичных целей, включая увеличение емкости аккумулятора, увеличение продолжительности жизни и снижение риска возникновения пожара. Следующим серьезным препятствием является вывод этих конструкций батарей из лаборатории на производственные мощности и изделия.

С точки зрения потребителя, основными преимуществами технологии стабильных твердотельных аккумуляторов являются: в 6 раз более быстрая зарядка, в 2-10 раз плотность энергии, более длительный срок службы до 10 лет (по сравнению с двумя) и отсутствие легковоспламеняющиеся компоненты. Это, безусловно, благо для смартфонов и потребительских электронных устройств. Чем раньше он доберется сюда, тем лучше.

Руководство покупателя: Лучшие портативные зарядные устройства

Чрезмерный рост литий-металлического дендрита может привести к короткому замыканию батареи.

Источник записи: https://www.androidauthority.com