«Просто добавь воды». + 750% к жизни аккумулятора.

Схематическое изображение процесса изготовления новой защитной мембраны из полых нановолокон с помощью экологически чистого процесса с использованием воды. Источник.

Металлический литий, анодный материал нового поколения, неслучайно был выбран для преодоления ограничений в производительности коммерческих аккумуляторов — он обладает довольно высокой удельной ёмкостью (3860 мАч^-1). Однако присущие ему проблемы грозят повышением рисков возгорания и даже взрывоопасностью, что обуславливает критическое сокращение срока службы таких аккумуляторов. Но теперь эти проблемы, похоже, в прошлом: исследователи Корейского института передовых технологий (KAIST) совершили невероятное, увеличив срок службы анодов из металлического лития примерно на 750%.

Профессора Иль-Ду Ким (факультет материаловедения и инженерии KAIST) и Джиён Ли (Университет Аджу) успешно стабилизировали рост лития и значительно увеличили срок службы литий-металлических аккумуляторов нового поколения, используя экологически чистые полые нановолокна в качестве защитных слоёв. Их исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.

Литиевые аноды обладают довольно серьёзными недостатками, и первый среди них — неконтролируемое образование дендритов — словно разрастающихся волокон лития после многократных циклов заряд-разряд, напоминающих отростки нейронов. Направление их роста таково, что они могут вызывать локальные короткие замыкания, приводя к полной саморазрядке элемента питания или — ещё хуже — к внутренней тепловой цепной реакции, возгоранию и даже взрыву. 

Помимо этого, среди минусов выделяются также большое объёмное расширение во время осаждения лития, вызывающее быстрое снижение ёмкости батарей, и нестабильная граница раздела между анодом и электролитом.

Для решения этих проблем некоторые исследователи предлагают создавать этакий межфазный слой твёрдого электролита (SEI) с высокой прочностью, хорошей стабильностью и гибкостью. Он призван уменьшить объёмное расширение литиевого анода и обеспечить равномерное осаждение лития. В то же время защитное покрытие нанесением поверхностного слоя на литий, традиционно, основывается на токсичных процессах и дорогостоящих материалах. Кроме того, такой искусственный интерфейс с электролитом обеспечивают лишь незначительное увеличение срока службы анодов.

Чтобы устранить эти недостатки, команда профессора Кима предложила защитный слой из полых нановолокон, способный контролировать литий-ионный рост как физическими, так и химическими методами. Этот защитный слой был изготовлен с помощью экологически чистого электропрядильного процесса — метода, при котором растворы полимеров подвергаются воздействию электрического поля, в результате чего получаются непрерывные волокна диаметром от десятков нанометров до нескольких микронов. В зависимости от необходимости, используются различные составы. В данном случае, в качестве основного материала, команда применила гуаровую камедь — получаемый из растений натуральный полимер, состоящий в основном из моносахаридов. Его окисленные функциональные группы регулируют взаимодействие с ионами лития, а в роли растворителя оказалась вода.

Проведённые испытания показали эффективность предложенного решения. Защитный нановолоконый слой успешно справился с обратимыми химическими реакциями между электролитом и ионами лития.

«Используя физические и химические защитные функции вместе, мы сумели более эффективно направить обратимые реакции между металлическим литием и электролитом и подавить рост дендритов, что привело к беспрецедентным характеристикам жизнеспособности металлических литиевых анодов», — рассказывает профессор Ким.

Полые пространства внутри волокон препятствовали случайному накоплению ионов лития на поверхности металла, стабилизируя границу раздела между поверхностью металлического лития и электролитом. Благодаря этому срок службы таких анодов увеличился примерно на 750%, а батарея сохранила 93,3% своей ёмкости даже после 300 циклов зарядки-разрядки.

Характеристики полноэлементных литий-металлических аккумуляторов с недавно разработанной защитной мембраной. Источник.

Такую результативность авторы называют производительностью «мирового уровня», но интересно не это. У разработки есть ещё один неоспоримый плюс: экологичность. Созданный защитный слой естественен настолько, насколько это только возможно: полностью разлагаясь в почве в течение примерно месяца, он чрезвычайно неприхотлив в утилизации.

 «Поскольку экологическая нагрузка, связанная с производством и утилизацией аккумуляторов, становится серьёзной проблемой из-за растущего спроса на аккумуляторы, — надеется профессор, — этот метод производства на водной основе с биоразлагаемыми свойствами внесёт значительный вклад в коммерциализацию экологически чистых аккумуляторов нового поколения».

АРМК, по материалам KAIST.