22.01.2021

Прорыв полупроводниковых батарей MIT может привести к тому, что телефоны будут работать в течение нескольких дней.

Одним из многих способов, которым ученые надеются улучшить производительность современных литиевых батарей, является замена некоторых жидких компонентов на твердые. Известные как полупроводниковые батареи, эти экспериментальные устройства могут значительно продлить срок службы электромобилей и мобильных устройств за счет значительного увеличения плотности энергии, упакованной внутри.

Ученые Массачусетского технологического института (MIT) сообщают о захватывающем продвижении в этом направлении, демонстрируя новый тип архитектуры полупроводниковых батарей, который преодолевает некоторые ограничения существующих конструкций.

В обычной литиевой батарее жидкий электролит служит средой, через которую ионы лития перемещаются туда-сюда между анодом и катодом по мере зарядки и разрядки батареи. Одна из проблем заключается в том, что эта жидкость является очень летучим и иногда может привести к возгоранию аккумулятора, как те, которые пострадали смартфона Samsung Galaxy Note 7.

Замена этого жидкого электролита на твердый материал не только сделает батареи более безопасными и менее склонными к возгораниям, это также может открыть новые возможности для других ключевых компонентов батареи. Анод в сегодняшних литиевых батареях сделан из смеси меди и графита, но если бы он был сделан из чистого лития вместо этого, он мог бы сломать «узкое место в плотности энергии текущей химии Li-ion», в соответствии с недавним исследованием, опубликованным в «Тенденции в химии».

Таким образом, огромный потенциал чистого анода лития делает его высокоприоритетным среди исследователей батарей, и ключевым шагом является внедрение жизнеспособного твердого электролита, чтобы заставить его работать. Но и с этим тоже есть существенные препятствия. По мере перезарядки батареи атомы накапливаются внутри литиевого металла, вызывая его расширение, и уменьшаются во время использования, вызывая сжимание металла. Это делает постоянный контакт между материалами практически невозможным и может привести к гидроразрыву электролита.

Именно эту проблему может решить новая архитектура батарей MIT. Она включает в себя комбинацию твердых материалов, известных как смешанные ионно-электронные проводники (MIEC) и электронные и литий-ионные изоляторы (ELI). Они были встроены в трехмерную ячеистую архитектуру, в которой массив наноразмерных трубок, изготовленных из MIEC, формирует решающий кусочек головоломки.

Эти трубки наполнены твердым литиевым металлом, формирующим анод батареи. А поскольку внутри каждой из этих трубок есть дополнительное пространство, у литиевого металла есть свободное место для расширения и усадки во время зарядки и разрядки. Таким образом, материал проходит тонкую грань между твердым и жидким материалом, двигаясь подобно жидкости, но сохраняя твердую кристаллическую структуру на протяжении всего процесса.

Все это происходит внутри анода с сотовой структурой, при этом ELI покрывает стенки трубок и действует как связующее звено между ними и твердым электролитом. Это означает, что по мере зарядки батареи колебания размеров литиевого металла полностью удерживаются внутри структуры, а его внешние размеры остаются неизменными.

Выходом этого является анод батареи, который химически и механически стабилен во время цикла зарядки и разрядки, в то время как литий никогда не теряет электрического контакта с твердым электролитом. Команда видит в этом значительный прогресс на других экспериментальных твердотельных батареях, которые обычно полагаются на какой-то жидкий электролит, смешанный с ними, чтобы заставить эту штуку работать.

«Но в нашем случае это действительно все твердое вещество», — говорит Цзю Ли, профессор материаловедения и инженерии в Массачусетском технологическом институте (MIT). «В нем нет ни жидкости, ни геля».

Команда провела эксперименты по тестированию архитектуры полупроводниковых батарей и сообщила, что она смогла выдержать 100 циклов зарядки и разрядки без каких-либо признаков разрушения. Далее по пути технология могла бы сделать аноды, которые весят около четверти от текущих конструкций, но с той же емкостью хранения. В сочетании с другими передовыми разработками катода, команда говорит, что это может привести к смартфонам того же веса и размера, которые нужно заряжать только раз в три дня.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Energy.