Литиево-йонните батерии захранват много от нашите съвременни устройства, та дори и електропреносната мрежа донякъде, но те изискват често презареждане и могат да се повредят. За да направят батериите по-надеждни и по-дълготрайни, изследователите постоянно търсят как да заменят течностите вътре в батериите с твърд керамичен материал, който би могъл да подобри производителността, дълготрайността и безопасността. Едно ново проучване показва, че решението може да е… стискане.
Първото предизвикателство за изследователите е да преодолеят голям проблем: пукнатини, запълнени с литий, които се образуват в твърдия материал по време на зареждане. Това е нещото, причиняващо късо съединение на батериите. Когато това се случи, устройствата, захранвани от тези батерии, стават безполезни, че и опасни.
Изследователите отдавна обсъждат дали тези пукнатини и литиевият метал вътре в тях, оформящ дървовидни структури, наречен дендрити, се образуват на повърхността или вътре в твърдия материал – ключов фактор за разбирането как да спрем образуването им.
Сега в проучване, публикувано в списание Nature, изследователи споделят, че са открили начин да проследяват тези дендрити и да ги потискат достатъчно, за да предотвратят късо съединение в батерията.
„Искаме да създадем надеждни, енергийно плътни батерии, които се зареждат бързо“, каза Тенг Цуй, който е провел изследването, докато е бил докторант в Станфордския университет и част от екип в SLAC-Stanford Battery Center. „Това изследване ни показва няколко от стъпките, които трябва да се случат, за да стане възможна промяната“.
При зареждане на твърдотелната батерия литиевите йони преминават от положителния електрод през твърдия керамичен електролит към отрицателния електрод. Когато тези литиеви йони попаднат в наноскопични дефекти, те могат да се натрупат и втвърдят в литиев метал, образувайки дендрити, пише в статията.
Тъй като дендритите са много тънки – по-тънки от десетки нанометри – и разпространението им се случва много бързо, изследователите са установили, че е почти невъзможно да се определи дали започват от повърхността или в по-голямата част от електролитния материал.
Екипът е установил, че когато приложи метален пръстен за компресиране на твърдия електролит, това предотвратява образуването на вертикални дендрити – от вида, който причинява късо съединение – по време на зареждане.
Всъщност при компресирането батериите издържат на хиляди цикли. Има една подробност: не се образуват вертикални дендрити, но се образуват хоризонтални. Това обаче не е опасно, защото те не достигат до електродите и следователно не причиняват незабавно късо съединение.
Стискането може да се зададе като конструктивна характеристика, така че литиевите батерии да се използват дългосрочно. Освен това такива батерии могат да се окажат по-качествени. Стискането има потенциал да осигури двойно по-голяма енергийна плътност от сегашните батерии, твърдят изследователите.
Това, което изследователският екипът не е очаквал при своите експерименти с дендритите, е било колко дълго ще могат да поддържат батериите работещи. Дори след хиляди цикли на зареждане и образуване на много вътрешни дендрити, батериите все още работят – доказвайки, че стискането може да бъде и потенциална „тайна“ към по-дългия живот на акумулаторите.
