673886040@qq.com
Ватт следующий? Оксфордское исследование может открыть революционные батареи для электромобилей и ав
Исследователи из Оксфордского университета обнаружили, как литий-металлические твердотельные батареи (Li-SSB) выходят из строя, что потенциально прокладывает путь к улучшенным батареям для электромобилей.Команда определила, что образование и рост «дендритов» вызывают короткое замыкание батарей, и это понимание может помочь устранить технологические препятствия при разработке твердотельных батарей. Новое исследование выявило механизмы, которые приводят к выходу из строя литий-металлических твердотельных батарей.
Исследователи использовали метод визуализации с высоким разрешением, чтобы визуализировать аккумуляторы во время зарядки с беспрецедентной детализацией.
Новое понимание может помочь решить технические проблемы с твердотельными батареями, открыв революционную технологию для электромобилей и авиации.
Значительно улучшенные аккумуляторы для электромобилей (EV) могут быть на шаг ближе благодаря новому исследованию, проведенному исследователями из Оксфордского университета и опубликованному 7 июня в журнале Nature. Использование передовых методов визуализации выявило механизмы, которые приводят к выходу из строя литий-металлических твердотельных батарей (Li-SSB). Если эти проблемы удастся преодолеть, твердотельные батареи с литий-металлическими анодами могут обеспечить кардинальное улучшение запаса хода, безопасности и производительности аккумуляторов электромобилей, а также способствовать развитию авиации с электрическим приводом.
Один из ведущих авторов исследования Доминик Мелвин, аспирант кафедры материалов Оксфордского университета, сказал: «Развитие твердотельных батарей с литий-металлическими анодами — одна из самых важных задач, стоящих перед развитием аккумуляторных технологий. . В то время как современные литий-ионные аккумуляторы будут продолжать совершенствоваться, исследования в области твердотельных аккумуляторов могут принести большую прибыль и изменить правила игры».
Li-SSB отличаются от других батарей тем, что они заменяют легковоспламеняющийся жидкий электролит в обычных батареях твердым электролитом и используют металлический литий в качестве анода (отрицательного электрода). Использование твердого электролита повышает безопасность, а использование металлического лития позволяет хранить больше энергии. Однако критическая проблема с Li-SSB заключается в том, что они склонны к короткому замыканию при зарядке из-за роста «дендритов»: нитей металлического лития, которые растрескиваются через керамический электролит. В рамках проекта SOLBAT Института Фарадея исследователи из факультетов материалов, химии и технических наук Оксфордского университета провели серию углубленных исследований, чтобы лучше понять, как происходит это короткое замыкание.
В этом последнем исследовании группа использовала передовую технику визуализации, называемую рентгеновской компьютерной томографией, в Diamond Light Source, чтобы визуализировать разрушение дендритов в беспрецедентных деталях во время процесса зарядки. Новое исследование изображений показало, что инициирование и распространение трещин в дендритах — это отдельные процессы, управляемые разными механизмами. Дендритные трещины возникают, когда литий накапливается в подповерхностных порах. Когда поры заполняются, дальнейшая зарядка батареи увеличивает давление, что приводит к растрескиванию. Напротив, распространение происходит, когда литий лишь частично заполняет трещину через механизм раскрытия клина, который открывает трещину сзади.
Это новое понимание указывает путь к преодолению технологических проблем Li-SSB. Доминик Мелвин сказал: «Например, хотя давление на литиевом аноде может быть полезным, чтобы избежать образования зазоров на границе раздела с твердым электролитом при разряде, наши результаты показывают, что слишком большое давление может быть вредным, вызывая распространение дендритов и короткое замыкание на скорее зарядка».
Сэр Питер Брюс, заведующий кафедрой Вольфсона, профессор материалов Оксфордского университета, главный научный сотрудник Института Фарадея и автор исследования, сказал: Электролит оказался сложным для понимания благодаря многим важным вкладам выдающихся ученых со всего мира. Мы надеемся, что дополнительные сведения, которые мы получили, помогут продвижению исследований твердотельных батарей в сторону практического устройства».
Согласно недавнему отчету Института Фарадея, SSB могут удовлетворить 50% мирового спроса на батареи для бытовой электроники, 30% для транспорта и более 10% для самолетов к 2040 году.
Профессор Пэм Томас, генеральный директор Faraday Institution, сказал: «Исследователи SOLBAT продолжают развивать механистическое понимание отказа твердотельных аккумуляторов — одно из препятствий, которое необходимо преодолеть, прежде чем мощные аккумуляторы с коммерчески значимыми характеристиками могут быть реализованы для автомобильных приложений. Проект информирует о стратегиях, которые производители элементов могут использовать, чтобы избежать отказа элементов для этой технологии. Это прикладное исследование является ярким примером того типа научных достижений, для продвижения которых был создан Институт Фарадея».
Ссылка: «Инициирование и распространение дендритов в литий-металлических твердотельных батареях» Зиянг Нин, Гуанчен Ли, Доминик Л. Р. Мелвин, Ян Чен, Джунфу Бу, Доминик Спенсер-Джолли, Цзюньлян Лю, Бингкун Ху, Сянвен Гао, Иоганн Перера, Чен Гонг, Шэнда Д. Пу, Шэнминг Чжан, Боян Лю, Гарет О. Хартли, Эндрю Дж. Боди, Ричард И. Тодд, Патрик С. Грант, Дэвид Э. Дж. Армстронг, Т. Джеймс Мэрроу, Чарльз В. Монро и Питер Г. Брюс, 7 июня 2023 г., Nature.
