Літій-металева батарея нового покоління: безпечніша і заряджається за 12 хвилин

Південнокорейські дослідники представили нову технологію літій-металевих акумуляторів, яка може наблизити електромобілі до надшвидкої зарядки та збільшеного запасу ходу. Розробка спрямована на усунення одного з ключових бар'єрів комерціалізації таких батарей – нестабільності та ризику коротких замикань.

Про прорив оголосив Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST). Дослідження стало важливим кроком у вирішенні фундаментальної проблеми літій-металевих систем.

Чому літій-металеві батареї вважалися проблемними

Літій-металеві акумулятори розглядаються як потенційна альтернатива класичним літій-іонним рішенням завдяки значно вищій щільності енергії. Це означає більший пробіг у меншій масі батареї.

Проте головна проблема виявляється під час заряджання. На поверхні літію утворюються мікроскопічні голчасті структури - дендрити.

Вони можуть:

• проколювати внутрішні шари батареї;

• викликати коротке замикання;

• прискорювати деградацію ємності;

• підвищувати ризик займання.

Корінь проблеми - так звана міжфазна нестабільність на межі електроду та електроліту. При багаторазових циклах заряд-розряд поверхня стає нерівною, що провокує нерівномірне осадження літію та прискорює зростання дендритів.

Навіть за помірних струмів (близько 4 мА/см²) забезпечити стабільний розподіл літію вкрай складно. Для комерційного використання в електромобілях необхідно було вирішити саме це завдання.

«Розумний» захисний шар: новий підхід до безпеки

Дослідницька група під керівництвом професорів Нам-Сун Чхве та Синбома Хонга з KAIST спільно з командою Korea University запропонувала рішення на рівні електронної структури.

В електроліт був доданий тіофен - органічна сполука, яка формує на поверхні літію динамічний захисний шар. На відміну від традиційних статичних покриттів цей шар здатний адаптуватися до процесу руху іонів.

У міру заряджання внутрішня структура шару перерозподіляє заряд, створюючи стійкі канали для рівномірного перенесення літію. Такий механізм запобігає локальному накопиченню металу і пригнічує зростання дендритів.

Комп'ютерне моделювання методом функціоналу щільності підтвердило значно більшу міжфазну стабільність порівняно з існуючими комерційними добавками.

Зарядка за 12 хвилин та стійкість до високих навантажень

Розроблена батарея продемонструвала стабільну роботу при щільності струму понад 8 мА/см2 — рівні, близькому до умов швидкого заряджання електромобілів.

Повна зарядка досягалася приблизно за 12 хвилин.

Для спостереження за процесом осадження літію використовувалась атомно-силова мікроскопія у часі. Навіть за високих струмів літій розподілявся рівномірно, без утворення небезпечних структур.

Сумісність із існуючими катодами

Важливою перевагою є сумісність технології із поширеними катодними матеріалами:

• літій-залізо-фосфат (LFP);

• літій-кобальтовий оксид (LCO);

• нікель-кобальт-марганцеві оксиди (NCM)

Це означає, що технологія може бути інтегрована в виробничі ланцюжки, що діють, без повної перебудови інфраструктури.

Перспективи для ринку електромобілів

За словами керівника проекту, розробка є не просто покращенням матеріалу, а фундаментальним вирішенням проблеми стабільності на рівні електронної архітектури.

Якщо технологія підтвердить ефективність у масштабному виробництві, вона може стати базовою платформою для акумуляторів наступного покоління:

• надшвидку зарядку;

• збільшений термін служби;

• підвищену безпеку;

• високу густину енергії.

Результати дослідження опубліковано у науковому журналі InfoMat.

Нова технологія демонструє, що перехід до більш ємних та безпечних батарей для електромобілів стає все ближче до промислової реалізації.