Лаборатория Райса химика Джеймса Тура изготовила испытательные ячейки со слоем красного фосфора на сепараторе, который разделяет анодный и катодный электроды. Фосфор действует как шпион для систем управления, используемых для зарядки и контроля аккумуляторов, обнаруживая образование дендритов, выступов лития, которые могут привести к их выходу из строя.
Литий-металлические аноды заряжаются намного быстрее и содержат примерно в 10 раз больше энергии по объему, чем обычные литий-ионные аноды, используемые практически во всех электронных устройствах на рынке, включая мобильные телефоны и электромобили. Аноды – это один из двух электродов, необходимых для работы от батареи.
Но при зарядке анодов, содержащих литий, образуются дендриты, которые, если они достигают катода, вызывают короткое замыкание и, возможно, пожар или взрыв.
Когда дендрит достигает сепаратора, покрытого красным фосфором, напряжение зарядки аккумулятора изменяется. Это говорит системе управления батареей прекратить зарядку.
В отличие от других предлагаемых детекторов дендритов, стратегия Райса не требует третьего электрода.
"Производство батарей с третьим электродом очень сложно", – сказал Тур. "Мы предлагаем статический слой, который дает скачок напряжения во время зарядки аккумулятора. Этот всплеск – сигнал, чтобы его выключить."
Исследование появляется в Advanced Materials.
Слой красного фосфора не оказал значительного влияния на нормальную работу в экспериментах с тестовыми батареями в лаборатории Tour.
Исследователи построили прозрачную испытательную ячейку с электролитом (жидким или гелеобразным материалом между электродами и вокруг сепаратора, который позволяет батарее генерировать ток), который, как известно, ускоряет старение катода и способствует росту дендритов.
Это позволило им контролировать напряжение, наблюдая за ростом дендритов.
С обычным сепаратором они увидели, что дендриты соприкасаются и проникают через сепаратор без изменения напряжения, ситуация, которая могла бы привести к выходу из строя нормальной батареи.
Но со слоем красного фосфора они наблюдали резкое падение напряжения при контакте дендритов с сепаратором.
«Как только растущий дендрит касается красного фосфора, он дает сигнал зарядного напряжения», – сказал Тур. "Когда система управления аккумулятором обнаруживает это, она может сказать:" Прекратите зарядку, не используйте.’"
В прошлом году лаборатория представила пленки из углеродных нанотрубок, которые, по-видимому, полностью останавливают рост дендритов на анодах из металлического лития.
«Комбинируя два последних достижения, можно уменьшить рост дендритов лития, и существует внутренний страховой полис, согласно которому батарея будет отключена в том маловероятном случае, когда даже один дендрит начнет расти по направлению к катоду», – сказал Тур.
«Буквально, когда вы делаете новую батарею, вы делаете более миллиарда штук», – сказал он. "Может, парочка из них потерпит неудачу? Достаточно нескольких костров, чтобы люди стали по-настоящему нервными.
Наша работа является дополнительной гарантией безопасности аккумуляторных батарей. Мы предлагаем еще один уровень защиты, который должен быть простым в реализации."