Учени от MIT откриха ключа към по-малки и по-леки батерии

Откритие на изследователи от Масачузетския технологичен институт (MIT) може най-накрая да отключи вратата към проектирането на нов вид презареждащи се литиеви батерии, които са по-леки, компактни и безопасни от настоящите версии. Ключът към този пробив е замяната на течния електролит между двата електрода с много по-тънък, по-лек слой от твърд керамичен материал и замяна на един от електродите с чист литий. Това ще редуцира в огромна степен размерите и теглото на батерията и ще елиминира риска за безопасността, свързан с течните електролити, които са запалими. Пред реализирането на тази концепция обаче стои един голям проблем – дендритите.

Дендритите представляват метални издатъци, които могат да се натрупат на литиевата повърхност и да проникнат в твърдия електролит, което в крайна сметка ще доведе до достигане на другия електрод и окъсяване на батерийната клетка. Учените все още нямат единна позиция относно това какво предизвиква образуването на тези издатъци, нито са постигнали съществен напредък в намирането на начин за предотвратяване на появата им, което възпрепятства разработването на по-леки батерии.

В своето проучване обаче проф. Йет-Минг Чанг, дипломантът Kоул Финчър и още петима учени от MIT и Университета “Браун” решават въпроса за причините за формиране на дендрити и показват как може да се предотврати преминаването им през електролита.

Чанг казва, че в рамките на предходни проучвания групата е направила “изненадващо и неочаквано” откритие – че литият, който е много мек метал, може да проникне в твърдия електролитен материал по време на процеса на зареждане и разреждане на батерията, когато йоните на лития се движат между двата електрода.

Това движение на йони води до промяна в обема на електродите, което неизбежно създава напрежения в твърдия електролит, който трябва да остане в пълен контакт с двата електрода, между които е разположен.

“За да се наслои този метал, трябва да има разширяване на обема, защото се добавя нова маса. Следователно обемът нараства в частта на клетката, където се наслоява литият. Ако има дори микроскопични дефекти, ще се генерира натиск върху тези дефекти, който може да причини напукване”, казва Чанг.

Екипът показва, че тези напрежения са причината за формирането на дендритите. Решението на проблема се оказва допълнително натоварване, което се прилага в правилното направление и с определена сила.

Докато преди учените смятат, че дендритите са резултат от чисто електрохимичен процес, а не механичен, експериментите на екипа демонстрират, че именно механични натоварвания причиняват проблема.

Процесът на формиране на дендритите обикновено протича в непрозрачните материали на батерията и не може да бъде наблюдаван пряко. Затова Финчър разработва начин за създаване на тънки клетки, използвайки прозрачен електролит, който позволява наблюдението и описването на целия процес. “Може да се види какво се случва, когато се окаже натиск върху системата и може да се определи дали дендритите се държат по начин, аналогичен на процес на корозия или процес на счупване”, казва той.

Екипът демонстрира, че растежът на дендритите може да бъде управляван пряко просто чрез прилагане и освобождаване на натиск, в резултат на което дендритите се насочват в посоката на прилаганата сила. Прилагането на механичен натиск към твърдия електролит не елиминира формирането на дендрити, но контролира посоката на растежа им. Това означава, че те могат да бъдат насочени така, че да останат успоредни на двата електрода и да се предотврати преминаването им от едната до другата страна, което ги прави безобидни.

По време на изпитванията си изследователите използват натиск, генериран чрез огъване на материала, който е формован като греда с тежест в единия край. Те казват обаче, че на практика може да има множество различни начини за генериране на необходимия натиск. Електролитът например може да бъде направен с два слоя материал, които имат различна степен на температурно разширение, което ще породи огъване по естествен начин.

Друг подход е насищането на материала с атоми, които ще се вградят в него и ще го изкривят, оставяйки го в непрекъснато напрегнато състояние. Този метод се прилага за производството на стъклото, използвано за дисплеите на смартфони и таблети, обяснява Чанг. Величината на необходимия натиск не е прекомерно голяма – експериментите показват, че са достатъчни налягания между 150 и 200 мегапаскала, за да се предотврати прекосяването на електролита от дендритите.

Откритието може най-накрая да направи практично производството на батерии с твърд електролит и литиеви електроди. Те не само ще предоставят повече енергия за единица обем и тегло, но ще елиминират нуждата от течни електролити, които са запалими.

Следващата стъпка на екипа ще бъде прилагането на откритите принципи за създаването на функционален прототип на батерия и определянето на това какви точно производствени процеси ще бъдат необходими за масово производство.

Макар да са кандидатствали за патент, изследователите не възнамеряват да комерсиализират системата сами, тъй като вече има компании, работещи по разработването на батерии с твърд електролит. “Това по-скоро е разбиране на режимите на неизправност на батериите с твърд електролит, които индустрията трябва да има предвид, за да се опита да проектира по-добри продукти”, заключава Чанг.