Среди многообещающих экспериментальных архитектур батарей ученые изучают ту, которая использует чистый металлический литий для анода, а не смесь материалов, используемых в современных литий-ионных устройствах.
Ученые, работающие в этой области, теперь совершили прорыв в том, как эти устройства функционируют при сверхнизких температурах, создав версию, которая опирается на слабые связи в своем электролите, чтобы обеспечить беспрецедентную производительность на холоде.
Причина, по которой литий-металлические батареи рассматриваются как перспективная технология, заключается в превосходной плотности энергии, которую предлагает чистый литий-металлический анод по сравнению со смесью графита и меди, используемой сегодня.
Эта разница настолько глубока, что некоторые исследователи аккумуляторов описывают литий-металл как “материал мечты”, а другие считают, что он имеет решающее значение для преодоления узкого места плотности энергии.
Как раствор, который переносит ионы лития назад и вперед между анодом и другим электродом, катодом, во время цикла электролит играет важную роль в работающей батарее. Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего (UCSD) пытались разработать батарею, которая могла бы заряжаться и разряжаться при чрезвычайно низких температурах, что обычно требует дополнительных систем отопления, и они сосредоточились на компоненте электролита, чтобы это произошло.
Цель состояла в том, чтобы создать электролит, который не замерзает и способен поддерживать движение ионов лития между электродами на холоде. Исследователи экспериментировали с двумя типами электролитов, один из которых сильно связывается с ионами, а другой – гораздо слабее. При этом они обнаружили, что то, насколько легко электролит может высвобождать ионы, определяет, насколько хорошо батарея функционирует при низких температурах.
Экспериментальная батарея с сильно связывающим электролитом перестала работать всего через два цикла при температуре -60 °C. Батарея со слабосвязывающим электролитом, тем временем, все еще работала после 50 циклов и сохранила 76 процентов своей емкости. При воздействии температур -40 °C она сохранила 84 процента своей емкости.
“Мы обнаружили, что связь между ионами лития и электролитом, а также структуры, которые ионы принимают в электролите, означают либо жизнь, либо смерть для этих батарей при низкой температуре”, – сказал автор исследования Джон Холоубек,
Дальнейшие исследования этих элементов показали, что ионы осаждаются гораздо более равномерно на аноде в батарее со слабосвязывающим электролитом, тогда как сильно связывающий электролит вызывает коренастые и игольчатые отложения. Они известны как дендриты и являются еще одним ключевым направлением для ученых, работающих над литий-металлическими батареями, поскольку они быстро вызывают короткое замыкание и отказ батареи.
“То, как ионы лития взаимодействуют с электролитом на атомарном уровне, не только обеспечивает устойчивый цикл при очень-очень низкой температуре, но и предотвращает образование дендритов”, – говорят ученые.
Команда основывалась на этих выводах, построив прототип литий-металлической батареи с катодом на основе серы и слабосвязывающим электролитом. Этот тип устройства может найти применение в экстремальных условиях, где сверхнизкие температуры требуют дополнительных нагревательных устройств для поддержания работы батарей, таких как космическое пространство и глубоководные исследования.
Исследование было опубликовано в журнале Nature Energy.
Источник: