24.09.2020

Самовосстанавливающиеся калиевые батареи: дешевый, долговечный конкурент литию

Литий дорог, экологически опасен в больших объемах и имеет тенденцию время от времени загораться. Это лучшее решение, которое у нас есть в настоящее время для электромобилей и аккумуляторов устройств, но появляются другие альтернативы, и одно из них, которое может иметь смысл, — это калиево-металлическая батарея.

Помимо того, что калий является дешевым и распространенным, с ним, как правило, легче работать, что означает более низкие производственные затраты, а также материальные затраты. Используя полные аноды металлического калия, батареи могут быть построены с плотностями энергии (как по объему, так и по весу), которые сопоставимы с тем, что предлагает литий.

Проблема до сих пор была одна, которая присутствовала и в литиевых батареях: образование дендритов. Со временем, когда аккумулятор заряжается и разряжается снова и снова, кусочки металла – эфир лития или калия – начинают прикрепляться к аноду. Это не происходит равномерно; маленькие колючие ветви, называемые дендритами, начинают формироваться, и, в конце концов, они становятся достаточно длинными, чтобы проткнуться через изолирующую мембрану, отделяющую анод от катода, и они закорачивают батарею. Это вызывает накопление тепла, а иногда и возгорание, и сокращает срок службы батареи.

Теперь группа ученых из Политехнического института Ренсселаера в штате Нью-Йорк заявляет, что они разработали методику самовосстановления, которая может очищать эти дендриты от анода, когда вы заряжаете аккумулятор в течение ночи, не давая им когда-либо становиться достаточно длинными, чтобы вызвать проблемы. Они полагают, что теперь возможно массовое использование дешевых калий-металлических батарей с длительным сроком службы.

Эта техника звучит странно, потому что по сути это взрывная зарядка и разрядка с высокой скоростью; именно то, что нам говорят, что нам не следует делать, если мы хотим продлить срок службы наших литиевых батарей. Делая это в контролируемых условиях, исследователи говорят, что они могут точно контролировать тепло в батарее, поднимая его до такой степени, что калий не плавится, а активирует поверхностную диффузию таким образом, что металл смещается в сторону от стопки скопления и сглаживает ее.

Та же самая исследовательская группа продемонстрировала аналогичную способность к самозалечению дендритов в литиевых батареях еще в 2018 году, но для этого потребовались значительно более высокие температуры.

Та же самая исследовательская группа продемонстрировала аналогичную способность к самовосстановлению дендритов в литиевых батареях еще в 2018 году, но для этого потребовались значительно более высокие температуры.

«При таком подходе, идея заключается в том, что ночью или когда вы не используете батарею, у вас будет система управления батареей, которая будет применять это локальное тепло, которое приведет дендриты к самовосстановлению», — сказал Нихил Кораткар, профессор механики, аэрокосмического и атомного машиностроения Rensselaer и ведущий автор этого исследования. «Я хочу увидеть сдвиг парадигмы в сторону металлических батарей. Металлические батареи — самый эффективный способ построения батареи, однако из-за этой дендритовой проблемы они оказались нереалистичными. С калием у меня больше надежды.»

Исследование было опубликовано в журнале PNAS.