Специалисты из Корейского института науки и технологий (KAIST) совместно с компанией LG Energy Solution объявили о разработке технологии, обеспечивающей оперативную подзарядку батарей для электромобилей.
В новаторском исследовании представлена неожиданная методика, которая кардинально меняет устоявшиеся представления об аккумуляторных технологиях. Им удалось создать литий-металлический аккумулятор – желанный идеал с точки зрения энергетической плотности – способный заряжаться от 10% до 80% всего за пятнадцать минут. На данный момент большинство транспортных средств оснащены преимущественно Li-ion-аккумуляторами – они достаточно безопасны и надежны, но приближаются к пределу своих возможностей.
В Li-ion-аккумуляторах энергия запасается в графитовой структуре анода. Однако это ограничивает объем энергии, которую может вместить аккумулятор. Литий-металлические аккумуляторы представляют собой перспективное поколение: их анод состоит из очень тонкого слоя чистого металла лития. Это значительно повышает потенциальную емкость аккумулятора, позволяя электрокарам проезжать большие расстояния без подзарядки.
Тем не менее, слишком быстрая зарядка таких аккумуляторов вызывает образование на аноде острых выростов – дендритов. Эта проблема характерна для современных моделей этого типа, поскольку рост дендритов способен повредить разделитель между положительным и отрицательным полюсами батареи, что приведет к короткому замыканию, полному выходу из строя или воспламенению. В любом случае дендриты ухудшают характеристики и сокращают срок службы аккумулятора.
Ранее считалось, что высокая скорость зарядки и продолжительный срок службы литий-металлических батарей – вещи несовместимые. Однако группа ученых из Южной Кореи во главе с профессором Хи-Таком Кимом выяснила причину появления дендритов, связанную с неоднородным сцеплением между металлическим литием и другими компонентами. Сильный ток при быстрой зарядке провоцирует скопление химических соединений, ухудшая защитный слой.
С помощью криогенной электронной микроскопии исследователи смогли наблюдать этот процесс непосредственно. Они обнаружили, что ускоренная зарядка вызывает формирование отдельных кристаллов размером приблизительно от 5 до 8 нанометров.
Для решения этой проблемы было протестировано несколько составов электролитов. В итоге был выбран жидкий электролит, эффективно подавляющий рост дендритов даже при интенсивной зарядке. Наилучшие показатели продемонстрировали относительно слабосвязанные электролиты, которые не формируют прочные соединения с анионами лития. Согласно результатам тестов, аккумулятор повышенной мощности с усовершенствованным электролитом заряжался с 5% до 70% за 12 минут и сохранял работоспособность после более чем 350 циклов заряда/разряда. Более емкая версия, предназначенная для максимального запаса хода (с плотностью энергии 386 Вт·ч/кг), достигала уровня заряда от 10% до 80% всего за 17 минут и выдерживала 180 циклов.
«Это исследование стало важным шагом в решении технических сложностей, связанных с литий-металлическими аккумуляторами, благодаря детальному изучению структуры межфазной границы. Оно устранило основное препятствие на пути к использованию этих батарей в автомобилях», – подчеркивает Хи-Так Ким, профессор кафедры химической и биомолекулярной инженерии KAIST.
Результаты исследования учёных из Корейского института науки и технологий (KAIST) опубликованы в журнале Nature Energy.