Ученые оживляют батареи, возвращая мертвый литий к жизни

Исследователи, возможно, нашли способ оживить перезаряжаемые литиевые батареи, потенциально увеличив диапазон электромобилей и увеличив срок службы батарей в электронных устройствах следующего поколения.

По мере цикла литиевых батарей они накапливают маленькие островки неактивного лития, которые отрезаны от электродов, уменьшая емкость батареи для хранения заряда.

Но исследовательская группа обнаружила, что они могут заставить этот «мертвый» литий ползать, как червяк, к одному из электродов, пока он снова не соединится, частично обращая вспять нежелательный процесс.

Добавление этого дополнительного шага замедлило деградацию их тестовой батареи и увеличило срок ее службы почти на 30%.

«В настоящее время мы изучаем возможность восстановления утраченной емкости литий-ионных аккумуляторов с помощью чрезвычайно быстрого этапа разрядки», – сказал научный сотрудник Стэнфордского университета Фанг Лю, ведущий автор исследования, опубликованного в журнале Nature.

Потерянное соединение

Большое количество исследований направлено на поиск способов сделать перезаряжаемые батареи с меньшим весом, более длительным сроком службы, повышенной безопасностью и более высокой скоростью зарядки, чем литий-ионная технология, которая в настоящее время используется в мобильных телефонах, ноутбуках и электромобилях.

Особое внимание уделяется разработке литий-металлических батарей, которые могут хранить больше энергии на единицу объема или веса. Например, в электромобилях эти батареи нового поколения могут увеличить пробег на одной зарядке и, возможно, занимать меньше места в багажнике.

В обоих типах батарей используются положительно заряженные ионы лития, которые перемещаются между электродами вперед и назад.

Со временем часть металлического лития становится электрохимически неактивной, образуя изолированные островки лития, которые больше не соединяются с электродами. Это приводит к потере емкости и является особой проблемой для литий-металлических технологий и для быстрой зарядки литий-ионных аккумуляторов.

Однако в новом исследовании исследователи продемонстрировали, что они могут мобилизовать и восстановить изолированный литий, чтобы продлить срок службы батареи.

«Я всегда считал изолированный литий плохим, поскольку он вызывает разложение батарей и даже возгорание», – сказал И Цуй, профессор Стэнфордского и SLAC и исследователь Стэнфордского института материалов и исследований энергии (SIMES), который руководил исследованием. исследовательская работа. «Но мы обнаружили, как электрически повторно соединить этот« мертвый »литий с отрицательным электродом, чтобы реактивировать его».

Ползучий, а не мертвый

Идея этого исследования родилась, когда Куи предположил, что подача напряжения на катод и анод батареи может заставить изолированный островок лития физически перемещаться между электродами – процесс, который его команда теперь подтвердила своими экспериментами.

Ученые изготовили оптическую ячейку с катодом из оксида лития-никеля-марганца-кобальта (NMC), литиевым анодом и изолированным островком лития между ними. Это тестовое устройство позволило им в режиме реального времени отслеживать, что происходит внутри батареи во время ее использования.

Они обнаружили, что изолированный литиевый остров вовсе не был «мертвым», а реагировал на работу батарей. При зарядке элемента островок медленно двигался к катоду; при разряде поползла в обратную сторону.

«Это похоже на очень медленного червя, который продвигает голову вперед и втягивает хвост, чтобы двигаться нанометр за нанометром», – сказал Цуй. «В этом случае он перемещается, растворяясь на одном конце и откладывая материал на другой конец. Если мы сможем поддерживать движение литиевого червяка, он в конечном итоге коснется анода и восстановит электрическое соединение ».

Увеличение срока службы

Результаты, которые ученые подтвердили с помощью других тестовых аккумуляторов и с помощью компьютерного моделирования, также демонстрируют, как изолированный литий может быть восстановлен в реальной батарее путем изменения протокола зарядки.

«Мы обнаружили, что мы можем перемещать отделенный литий к аноду во время разряда, и эти движения быстрее при более высоких токах», – сказал Лю.

«Поэтому мы добавили этап быстрой сильноточной разрядки сразу после зарядки аккумулятора, в результате чего изолированный литий сдвинулся достаточно далеко, чтобы снова соединить его с анодом. Это реактивирует литий, поэтому он может продлить срок службы батареи ».

Она добавила: «Наши результаты также имеют большое значение для проектирования и разработки более надежных литий-металлических батарей».

Эта работа финансировалась Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии Министерства энергетики США, Управлением автомобильных технологий в рамках программ исследований материалов для аккумуляторов (BMR), Консорциумом Battery 500 и программой eXtreme Fast Charge Cell Evaluation литий-ионных аккумуляторов (XCEL).

Автор Дженнифер Хубер.