Электромобили (электромобили) открывают большие перспективы для нашего энергоэффективного и устойчивого будущего, но среди их ограничений является отсутствие долговечной батареи с высокой плотностью энергии, которая снижает необходимость заправки топливом в дальних поездках. То же самое верно и для домов во время отключений электроэнергии и сбоев в электросети — небольших эффективных батарей, способных обеспечить дом более чем на одну ночь без электричества, еще не существует. Литиевые батареи нового поколения, которые предлагают легкие, долговечные и недорогие аккумуляторы энергии, могут произвести революцию в отрасли, но возникло множество проблем, которые помешали успешной коммерциализации.
Основная проблема заключается в том, что, хотя перезаряжаемые литий-металлические аноды играют ключевую роль в том, насколько хорошо работает эта новая волна литиевых батарей, во время работы от батарей они очень восприимчивы к росту дендритов, микроструктур, которые могут привести к опасному короткому замыканию, возгоранию и даже взрыву.
Исследователи из Columbia Engineering сообщают сегодня, что они обнаружили, что добавки щелочных металлов, такие как ионы калия, могут предотвратить распространение микроструктуры лития во время использования батарей. Они использовали комбинацию микроскопии, ядерного магнитного резонанса (аналогично МРТ) и компьютерного моделирования, чтобы обнаружить, что добавление небольшого количества соли калия к обычному электролиту литиевой батареи создает уникальный химический состав на границе раздела литий/электролит.
«В частности, мы обнаружили, что ионы калия уменьшают образование нежелательных химических соединений, которые осаждаются на поверхности металлического лития, и предотвращают перенос ионов лития во время зарядки и разрядки аккумулятора, что в конечном итоге ограничивает рост микроструктуры», — говорит PI Лорен Марбелья, доцент кафедры химической инженерии.
Открытие ее команды о том, что добавки щелочных металлов подавляют рост непроводящих соединений на поверхности металлического лития, отличается от традиционных подходов к манипуляциям с электролитом, которые сосредоточены на нанесении проводящих полимеров на поверхность металла. Работа является одной из первых углубленных характеристик химии поверхности металлического лития с помощью ЯМР и демонстрирует возможности этого метода для разработки новых электролитов для металлического лития. Результаты Марбельи были дополнены расчетами теории функционала плотности (DFT), выполненными сотрудниками группы Viswanathan в области машиностроения в Университете Карнеги-Меллона.
«Коммерческие электролиты — это коктейль из тщательно отобранных молекул», — отмечает Марбелья. «Используя ЯМР и компьютерное моделирование, мы наконец можем понять, как эти уникальные составы электролитов улучшают характеристики литий-металлических батарей на молекулярном уровне. Это понимание в конечном итоге дает исследователям инструменты, необходимые для оптимизации конструкции электролита и создания стабильных литий-металлических батарей».
В настоящее время команда тестирует добавки щелочных металлов, которые останавливают образование вредных поверхностных слоев, в сочетании с более традиционными добавками, которые способствуют росту проводящих слоев на металлическом литии. Они также активно используют ЯМР для прямого измерения скорости переноса лития через этот слой.
