В отличие от литий-ионных батарей, которые используют механизм интеркаляции для перемещения ионов лития в графитовый анод и из него для производства энергии, литий-металлические батареи используют металлический литий в качестве анода вместо громоздкого и тяжелого графита. Поскольку литий-металл демонстрирует теоретическую емкость в десять раз большую (3,860 мАч/г), чем графит (372 мАч/г), он постоянно привлекает большое внимание в областях, где требуется высокая емкость. батареи.
Несмотря на это преимущество, Li может вырасти в разветвленную структуру, известную как литиевый дендрит, если он не сохраняется равномерно и эффективно в процессе цикла. Это приводит к значительному расширению объема электрод, что сокращает срок службы батареи и увеличивает риск возникновения проблем с безопасностью, таких как возгорание и взрыв, вызванные внутренними короткими замыканиями.
Чтобы решить эту проблему, ученые из Исследовательского центра аккумуляторов следующего поколения Корейского научно-исследовательского института электротехнологий (KERI) разработали 1D пористую углеродную структуру, удерживающую литий. Их структура состоит из полого ядра, к которому добавлено небольшое количество наночастиц золота со сродством к Li.
Предпочтительно взаимодействуя с Li, золото контролирует направление роста Li и заставляет Li накапливаться внутри ядра. В оболочке также образуются многочисленные поры наноразмера, которые увеличивают движение ионов лития в центральное пространство.
Создав многочисленные наноразмерные поры в оболочке, ученые добились значительного повышения кулоновской эффективности без роста дендритов лития даже в условиях испытаний с высоким током 5 мА/см2.
Ученые сотрудничали с профессором Чангюком Муном из Университета Чунг-Анг для теоретического подтверждения эффективности конструкции этого материала. Результаты моделирования показали, что поры оболочки уменьшают длину диффузии ионов Li и улучшают сродство к Li за счет того, что наночастицы золота удерживают осаждение Li внутри структуры даже в условиях сильноточной зарядки.
Также было обнаружено, что разработанный Li-хост имеет отличные циклические характеристики — более 500 циклов при высокой плотности тока 4C.
Ученые отметили, «Эта технология практична, потому что команда использовала метод электропрядения, имеющий преимущества в массовом производстве для синтеза материалов».
Доктор Бьюнг Гон Ким из Исследовательского центра аккумуляторов следующего поколения KERI — сказал, «Несмотря на высокую емкость, литий-металлические батареи сталкиваются с множеством препятствий на пути коммерциализации, в основном из-за проблем стабильности и безопасности. Наше исследование неоценимо, поскольку мы разработали технологию массового производства литий-металлического резервуара с высоким кулоновским КПД для быстро перезаряжаемых литий-металлических батарей».
Справочник журнала:
- Дон У Кан, Сон Су Пак и др. Одномерные пористые литий-содержащие основы для высокоскоростных и стабильных литий-металлических аккумуляторов. ACS Nano 2022, 16, 8, 11892–11901. ДОИ: 10.1021 / acsnano.2c01309
