Аннотация:
Китайские исследователи разработали тонкое защитное покрытие для литий-металлических анодов, которое, как ожидается, решит ключевые технические проблемы, с которыми сталкиваются полностью твердотельные батареи в течение длительного времени. В лабораторных испытаниях аккумуляторы, обработанные этим покрытием, сохраняли 82,3% своей первоначальной емкости после 300 циклов зарядки-разрядки; для сравнения, контрольная батарея, в которой использовался необработанный металлический литий, сохраняла емкость только 43,0%.
Это исследование было завершено научно-исследовательской группой Сианьского университета электронных наук и технологий, а результаты были опубликованы в журнале Science China Chemistry. Исследователи используют простую жидкую химическую обработку для формирования защитного слоя на поверхности металлического лития, предлагая новые идеи для улучшения стабильности и срока службы батарей следующего поколения.
Металлический литий считается важным кандидатом на изготовление аккумуляторов с высокой плотностью энергии и даже называется «Святым Граалем» в области хранения энергии. Теоретически металлический литий может хранить почти в десять раз больше электричества на грамм графитового отрицательного электрода, чем в традиционных литий-ионных батареях. Если это преимущество будет полностью использовано, ожидается, что будущие батареи будут хранить больше энергии при том же весе, тем самым уменьшая вес аккумуляторной батареи и увеличивая запас хода электромобилей.
Однако металлический литий склонен к неравномерному осаждению в процессе зарядки и разрядки, образуя острые структуры, называемые дендритами лития. Эти дендриты могут продолжать расти и в конечном итоге пробить внутреннюю структуру батареи, вызывая короткие замыкания и угрозу безопасности. В то же время существуют проблемы с химической стабильностью между металлическим литием и сульфидным твердым электролитом, а межфазные реакции будут влиять на производительность батареи и срок службы батареи. Эти проблемы всегда были серьезными препятствиями на пути практического применения литий-металлических твердотельных батарей.
Чтобы решить эту проблему, группа исследователей, в которую входили Ли Сыву, У Вэйвэй и Юй Чуан, объединила полимер на основе кремния с хлоридом индия, чтобы создать жидкий прекурсор, который можно наносить непосредственно на поверхность металлического лития. После того, как материал покрытия прореагирует с литием, на поверхности in situ образуется композитная защитная пленка толщиной всего около 12 микрон, которая содержит такие компоненты, как фторид лития и наночастицы сплава лития и индия.
Эта защитная пленка не просто изолирует металлический литий от внешнего мира, но и улучшает процесс осаждения ионов лития внутри аккумулятора за счет синергии различных материалов. Полимерный каркас обладает определенной степенью гибкости и может адаптироваться к механическим нагрузкам, вызванным многократным расширением и сжатием металлического лития во время зарядки и разрядки; фторид лития может блокировать электроны и ингибировать зарождение и рост дендритов лития; Наночастицы литий-индиевого сплава помогают обеспечить равномерное осаждение ионов лития и избежать концентрированного накопления лития с образованием опасных острых структур.
Результаты экспериментов показывают, что критическая плотность тока литий-металлического электрода с покрытием достигает 3,5 миллиампер на квадратный сантиметр, что более чем в четыре раза превышает плотность необработанного электрода, составляющего 0,8 миллиампер на квадратный сантиметр. Критическая плотность тока является важным показателем способности батареи противостоять неравномерному осаждению лития и росту дендритов. Увеличение значения означает, что ожидается, что батарея будет поддерживать стабильную работу при более высоких плотностях тока.
Затем исследователи применили этот защитный электрод к полной батарее. В тестовой батарее используется положительный электрод из оксида никеля, кобальта, марганца и сульфидный твердый электролит, а начальная емкость достигает 129,8 мАч на грамм при температуре 0,5C. После 300 циклов зарядки-разрядки аккумулятор сохранил 82,3% своей первоначальной емкости. Напротив, при использовании незащищенных литий-металлических электродов степень сохранения емкости составляет всего 43,0%, и разрыв между этими двумя значениями очень очевиден.
Спектральный анализ и наблюдение с помощью электронного микроскопа дополнительно подтвердили состав и структуру защитного слоя. Исследователи обнаружили, что покрытие образует относительно плотную и однородную пленку, и не наблюдалось никаких явных трещин или пустот, что также предоставило доказательства на структурном уровне того, что оно может непрерывно защищать поверхность раздела между металлическим литием и твердым электролитом.
Еще одной примечательной особенностью этой технологии является ее потенциальная промышленная адаптируемость. В отличие от некоторых технологий модификации поверхности электродов, которые требуют сложных процессов вакуумной обработки, эта защитная пленка образуется путем прямого покрытия жидким прекурсором и реакции на поверхности металлического лития. Теоретически существует возможность использовать для производства существующее промышленное оборудование для нанесения покрытий, тем самым снижая сложность и стоимость производственного процесса.
Исследовательская группа также планирует изучить замену индия оловом, цинком и другими элементами для дальнейшей оптимизации формулы материала. Индий – относительно редкий и дорогой металл. Если будут найдены альтернативные материалы с аналогичными характеристиками и более низкой стоимостью, это поможет улучшить экономику крупномасштабного применения этой технологии в будущем.
Однако это достижение все еще находится на стадии лабораторных исследований. Улучшение циклических характеристик, полученное в ходе эксперимента, не означает, что соответствующие батареи готовы к коммерциализации. В будущем необходимо дополнительно проверить его производительность при более длительных периодах цикла, большей емкости батарей, различных температурных условиях и реальных производственных условиях, а также решить такие проблемы, как стоимость материалов, последовательность производства и долгосрочная стабильность интерфейса.
Исследователи полагают, что этот композитный защитный слой, образующийся на месте, обеспечивает относительно простой технический способ стабилизации металлических литий-анодов. Если последующие исследования смогут доказать их надежность в реальных батареях и обеспечить недорогое и крупномасштабное производство, это может подтолкнуть твердотельные батареи с высокой плотностью энергии на шаг ближе к электромобилям и крупномасштабным хранилищам энергии.
Комментарии