Буйный нрав лития в батарее укротили магнитным полем
В Пхоханском университете науки и технологий (POSTECH) разработали аккумуляторную батарею нового поколения. Она не только обладает гораздо большей энергоемкостью, но и сводит к минимуму риск перегрева и возгорания.
Разработка описана в журнале Energy & Environmental Science. Ноу-хау корейских ученых — магнитоконверсионный анод.
С бурным ростом рынка электромобилей и систем накопления энергии встала сложная задача: сделать батареи более емкими и в то же время безопасными. Рекордной теоретической емкостью отличаются аноды из металлического лития, но многократные циклы заряда/разряда приводят к тому, что на них нарастают дендриты — игольчатые структуры, которые могут проколоть сепаратор, вызывать короткое замыкание и, как следствие, пожар. Широко используемые сегодня графитовые аноды безопаснее, но весьма ограничены по емкости.
Идея, осенившая инженеров-химиков, проста и элегантна: если магнит упорядочивает железные опилки, почему бы не использовать его для организации потока ионов лития?
При внедрении лития в анод из марганцевого феррита образуются ферромагнитные металлические наночастицы. Под действием внешнего магнитного поля они выстраиваются внутри электрода, словно крошечные магниты. Это выравнивание заставляет ионы лития распределяться по поверхности равномерно, не скапливаясь в отдельных зонах.
В этом процессе силу Лоренца, действующую на заряженные частицы в магнитном поле, используют во благо: она дополнительно рассеивает ионы лития, способствуя их равномерному переносу. В результате вместо опасных дендритов литий покрывает анод гладким, плотным и однородным слоем.
Кроме того, анод работает как гибридная система, накапливая литий как внутри оксидной матрицы, так и в виде металла на поверхности. Такой двойной механизм обеспечивает энергоемкость примерно в четыре раза выше, чем у коммерческих графитовых анодов, при этом сохраняя стабильность работы в течение сотен циклов зарядки-разрядки без образования дендритов. Батарея продемонстрировала кулоновскую эффективность выше 99% на протяжении более 300 циклов, подтвердив отличную долговременную стабильность.
«Наш подход одновременно решает две главные проблемы литиевых анодов — нестабильность и рост дендритов. Это открывает новый путь к созданию более безопасных и надежных литий-металлических батарей. Мы ожидаем, что эта технология ляжет в основу улучшения ключевых параметров аккумуляторов следующего поколения: емкости, срока службы и скорости зарядки», — пояснил профессор POSTECH Ким Вон Бэ, руководивший исследованием.