Литиево-йонните (Li-ion) батерии захранват нашите смартфони и повечето от другите електронни устройства. Въпреки тяхното повсеместно разпространение, обаче литиево-йонните батерии имат редица недостатъци – недостатъчна енергийна плътност, имат сравнително кратки срокове на експлоатация и избухват лесно, ако са повредени или неправилно заредени. Тези проблеми може да останат в миналото, ако навлязат солидните батерии, смятат от Android Authority.
Учени от Колумбийския университет откриха метод за стабилизиране на твърдите електролити в литиево-метални, така наречените солидни (Solid-state) батерии. Използвайки нано-покритие от борен нитрид може да се произвеждат батерии, които предлагат до 10 пъти по-голям капацитет за зареждане от литиево-йонни батерии с графитна основа. В допълнение, твърдите керамични електролити, често използвани в конструкцията на солидните батерии са незапалими, което е добре от безопасна гледна точка.
Технологията за солидните батерии не е съвсем нова идея, но изграждането на материали, безопасността на дизайна, разходите и производствените техники пречат на приемането им. Ето защо не е толкова лесно да загърбим изцяло литиево-йонните батерии и да преминем към солидните батерии.
Проблемът с дендрита
Най-големият проблем при солидните батерии е образуването на дендрит. Това е подобно на кристал натрупване на литиев метал, което се получава в резултат на високо токовото зареждане и разреждане, при което йоните в твърдия електролит се комбинират с електрони, за да образуват слой от твърд литиев метал. Дендритът обикновено започва от анода и може да обхване цялата батерия. Големите натрупвания на дендрити може да пробият катодания / анодния сепаратор на батерията и да доведат до късо съединение, което ще унищожи батерията и може да причини пожар.
Съвременните литиево-йонни батерии заобикалят проблема с дендритите, използвайки течни електролити, а не твърд метал. За съжаление, тази течност е запалима. Графитът се използва често в интеркалирания литиево-аноден материал, предлагайки дългосрочна. Графенът и сплавите на базата на силиций също участват в експериментите и проучванията за подобряване на производителността.
Комбинирането на химикали и материали и конструкцията на литиево-йонните батерии ограничават образуването на дендрити, като съществено намаляват и контролират потока на йони.
Компромисът е загуба на плътност и капацитет на батериите и повишена запалимост. Солидните батерии от литиев метал се считат за свещения граал на акумулаторната батерия, но са много по-трудни за стабилизиране от течните литиево-йонни клетки.
Как новите изследвания решават проблема?
Учените от Колумбийския университет предлагат решение на проблема с дендритите за солидните батерии. Нано-филм от 5 дo 10nm борен нитрид (BN) изолира литиевия метал и йонния проводник. Изолирането на двата слоя предотвратява натрупването на дендрит или късото съединение, но е достатъчно тънко, за да увеличи максимално енергийната плътност на батерията. Използва се също и малко количество течен електролит, но конструкцията използва предимно керамични електролити, твърда конструкция за максимален енергиен капацитет.
Накратко, екипът е създал много тънка бариера, която предотвратява появата на дендрити. Това, от своя страна, позволява използването на много компактни керамични електролити, които предлагат по-голям капацитет в сравнение с традиционните литиево-йонни батерии, намалява риска от пожар и удължава живота на батерията. Следващият етап от изследването ще изследва по-широк спектър от нестабилни твърди електролити и ще направи оптимизации за производство.
Discussion about this post