Naukowcy z Uniwersytetu Harvarda opracowują baterię inspirowaną czekoladą, którą można ładować i rozładowywać co najmniej 6000 razy

Naukowcy z John Paulson School of Engineering and Applied Science (SEAS) na Harvardzie opracowali nowy akumulator litowo-metalowy, który można ładować i rozładowywać co najmniej 6000 razy, czyli więcej niż jakikolwiek inny akumulator kieszonkowy, a naładowanie zajmuje kilka minut.

Bateria półprzewodnikowa, która ładuje się w ciągu kilku minut i wystarcza na tysiące cykli

Naukowcy z Harvard School of Engineering and Applied Science (SEAS) opracowali nowy akumulator litowo-metalowy, który można ładować i rozładowywać co najmniej 6000 razy — więcej niż jakiekolwiek inne ogniwo kieszonkowe — a naładowanie zajmuje kilka minut.

Badania nie tylko opisują nową metodę wytwarzania akumulatorów półprzewodnikowych z wykorzystaniem anody litowo-metalowej, ale także dostarczają nowego spojrzenia na materiały stosowane w tych potencjalnie rewolucyjnych akumulatorach.

Baterie zawierające anody litowo-metalowe są uważane za świętego Graala baterii, ponieważ mają dziesięciokrotnie większą pojemność niż dostępne na rynku anody grafitowe i mogą radykalnie zwiększyć zasięg pojazdów elektrycznych. Nasze badania stanowią ważny krok w kierunku bardziej praktycznych akumulatorów półprzewodnikowych do zastosowań przemysłowych i komercyjnych.

Shen Li, profesor nadzwyczajny inżynierii materiałowej w SEAS i główny autor tej pracy.

Jednym z największych wyzwań przy projektowaniu tych akumulatorów jest powstawanie dendrytów na powierzchni anody. Te przypominające korzenie struktury wrastają w elektrolicie i przenikają przez barierę oddzielającą anodę od katody, powodując zwarcie w akumulatorze, a nawet pożar.

Te dendryty powstają, gdy jony litu przemieszczają się z katody do anody podczas ładowania i przylegają do powierzchni anody w procesie zwanym galwanizacją. Powłoka anody tworzy nieregularną i niejednorodną powierzchnię, przypominającą płytkę nazębną na zębach, i umożliwia zakorzenienie się dendrytów. Podczas rozładowywania tę płytkową powłokę należy usunąć z anody, a gdy powłoka jest nierówna, proces usuwania może być powolny i powodować zadziory, które powodują bardziej nierówną powłokę przy następnym ładowaniu.

W 2021 roku Li i jego zespół zaprezentowali sposób manipulowania dendrytami, projektując wielowarstwową baterię, w której między anodą a katodą umieszczane są różne materiały o różnej stabilności. Ta wielowarstwowa i wielomateriałowa konstrukcja zapobiegała penetracji dendrytów litu nie poprzez ich całkowite zatrzymanie, ale poprzez ich kontrolę i zamknięcie.

W tym nowym badaniu Lee i jego zespół Zapobieganie tworzeniu się dendrytów poprzez zastosowanie w anodzie cząstek krzemu wielkości mikrometrów Aby ograniczyć reaktywność litu i ułatwić równomierne powlekanie grubą warstwą litu metalicznego.

W tej konstrukcji, gdy jony litu przemieszczają się z katody do anody podczas ładowania, reakcja litu ogranicza się do płytkiej powierzchni, a jony przylegają do powierzchni cząsteczki krzemu, ale nie wnikają dalej. Różni się to znacznie od składu chemicznego ciekłych akumulatorów litowo-jonowych, w których jony litu przenikają w wyniku głębokiej reakcji litu i ostatecznie niszczą cząsteczki krzemu w anodzie.

Jednakże w akumulatorze półprzewodnikowym jony na powierzchni krzemu kurczą się i podlegają dynamicznemu procesowi litowemu, tworząc warstwę litowo-metalicznego wokół krzemowego rdzenia.

W naszym projekcie lit metaliczny jest owinięty wokół cząsteczki krzemu, niczym solidna czekoladowa skorupa wokół rdzenia orzecha laskowego w czekoladowej trufli.

Shena Lee

Te powlekane cząstki tworzą jednorodną powierzchnię, na której gęstość prądu jest równomiernie rozłożona, zapobiegając wzrostowi dendrytów. Ponieważ na jednolitej powierzchni następuje szybkie powlekanie i oddzielanie, akumulator można naładować w zaledwie 10 minut.

Naukowcy zbudowali wersję baterii wielkości znaczka pocztowego, która jest 10 do 20 razy większa niż bateria pastylkowa produkowana w większości laboratoriów uniwersyteckich. Bateria zachowała 80% swojej pojemności po 6000 cyklach, osiągając lepsze wyniki niż inne baterie guzikowe dostępne obecnie na rynku.

Biuro ds. Rozwoju Technologii Harvardu udzieliło licencji na tę technologię firmie Adden Energy, spółce wydzielonej z Harvardu, której współzałożycielem jestem ja i trzech absolwentów Harvardu. Firma rozszerzyła technologię, aby wyprodukować baterię pastylkową wielkości smartfona.

Lee i jego zespół opisali również właściwości, które pozwalają krzemowi ograniczać dyfuzję litu, aby ułatwić dynamiczny proces, który sprzyja jednorodnej powłoce gęstego litu. Następnie zdefiniowali pojedynczy deskryptor właściwości opisujący ten proces i uwzględnili go w przypadku wszystkich znanych materiałów nieorganicznych. W ten sposób zespół odkrył dziesiątki innych materiałów, które mogłyby zapewnić podobną wydajność.

Poprzednie badania wykazały, że inne materiały, w tym srebro, mogą służyć jako dobre materiały anodowe w akumulatorach półprzewodnikowych. Nasze badania wyjaśniają możliwy mechanizm leżący u podstaw tego procesu i dostarczają środków do identyfikacji nowych materiałów do projektowania akumulatorów.

Shena Lee

przez seas.harvard.edu