Сможет ли электромобиль проехать от Сеула до Пусана и обратно на одном заряде? Смогут ли водители перестать беспокоиться о производительности батареи даже зимой? Корейская исследовательская группа сделала важный шаг к ответам на эти вопросы, разработав литий-металлическую батарею без анода, которая может обеспечить почти вдвое больший запас хода при том же объеме батареи.
Прорыв в повышении плотности энергии батарей
Совместная исследовательская группа под руководством профессора Суджин Пак и доктора Дон-Ёб Хана с кафедры химии POSTECH, а также профессора Нам-Сун Чхве и доктора Сэхуна Кима из KAIST, профессора Тэ Кён Ли и исследователя Джунсу Сона из Национального университета Кёнсан успешно достигла объемной плотности энергии 1270 Вт·ч/л в литий-металлической батарее без анода. Это значение почти вдвое превышает показатели современных литий-ионных батарей, используемых в электромобилях, которые обычно обеспечивают около 650 Вт·ч/л. Статья опубликована в журнале Advanced Materials.
В литий-металлической батарее без анода полностью отсутствует традиционный анод. Вместо этого ионы лития, хранящиеся в катоде, перемещаются во время зарядки и осаждаются непосредственно на медном токосъемнике. За счет удаления ненужных компонентов можно выделить больше внутреннего пространства для хранения энергии, подобно тому, как в бак того же размера помещается больше топлива.
Преодоление технических трудностей и рисков для безопасности
Однако такая конструкция сопряжена с серьезными проблемами. Если литий осаждается неравномерно, могут образовываться острые игольчатые структуры, известные как дендриты, что увеличивает риск коротких замыканий и потенциально создает угрозу безопасности. Многократная зарядка и разрядка также могут повредить поверхность лития, быстро сокращая срок службы батареи.
Для решения этих проблем исследовательская группа применила двойную стратегию, сочетающую обратимый носитель (RH) и разработанный электролит (DEL). Обратимый носитель представляет собой полимерный каркас, содержащий равномерно распределенные наночастицы серебра (Ag), которые направляют литий к осаждению в заданных местах, а не случайным образом. Проще говоря, он действует как специально отведенная парковка для лития, обеспечивая упорядоченное и равномерное осаждение.
Разработанный электролит дополнительно повышает стабильность, образуя на поверхности лития тонкий, но прочный защитный слой, состоящий из Li₂O и Li₃N. Этот слой действует как повязка на коже, предотвращая вредный рост дендритов и поддерживая открытые пути для переноса ионов лития.
Результаты деятельности и коммерческий потенциал
В совокупности система RH–DEL продемонстрировала выдающиеся характеристики. При высокой удельной емкости (4,6 мА·ч·см⁻²) и плотности тока (2,3 мА·см⁻²) батарея сохранила 81,9% своей первоначальной емкости после 100 циклов и достигла средней кулоновской эффективности 99,6%. Эти результаты позволили команде достичь рекордной объемной плотности энергии в 1270 Вт·ч/л для безанодных литий-металлических батарей.
Важно отметить, что эти характеристики были подтверждены не только на небольших лабораторных элементах, но и на батареях пакетного типа, которые ближе к реальным условиям эксплуатации электромобилей. Даже при минимальном количестве электролита (E/C = 2,5 г Ач⁻¹) и низком давлении в стеке (20 кПа) батареи работали стабильно. Это демонстрирует большой потенциал для снижения веса и объема батарей при одновременном уменьшении производственных затрат, что значительно повышает коммерческую целесообразность.
Профессор Пак отметил: «Эта работа представляет собой значительный прорыв, поскольку одновременно решает проблемы эффективности и срока службы литий-металлических батарей без анода».
Профессор Ли добавил: «Наше исследование демонстрирует, что разработка электролита на основе коммерчески доступных растворителей позволяет достичь как высокой подвижности ионов лития, так и межфазной стабильности».
