Основная проблема заключается в том, что, хотя перезаряжаемые литий-металлические аноды играют ключевую роль в том, насколько хорошо эта новая волна литиевых батарей функционирует, во время работы от батарей они очень чувствительны к росту дендритов, микроструктур, которые могут привести к опасному короткому замыканию. огонь и даже взрыв.
Исследователи из Columbia Engineering сообщают сегодня, что они обнаружили, что добавки щелочных металлов, такие как ионы калия, могут предотвратить распространение микроструктуры лития во время использования батареи. Они использовали комбинацию микроскопии, ядерного магнитного резонанса (аналогично МРТ) и компьютерного моделирования, чтобы обнаружить, что добавление небольшого количества соли калия к обычному электролиту литиевой батареи дает уникальный химический состав на границе раздела литий / электролит. Исследование опубликовано в сети сегодня в Cell Reports Physical Science (и в печатном издании от 18 ноября).
«В частности, мы обнаружили, что ионы калия смягчают образование нежелательных химических соединений, которые осаждаются на поверхности металлического лития, и предотвращают перенос ионов лития во время зарядки и разрядки аккумулятора, что в конечном итоге ограничивает рост микроструктуры», – говорит PI Лорен Марбелья, доцент кафедры химическая инженерия.
Открытие ее команды о том, что добавки щелочных металлов подавляют рост непроводящих соединений на поверхности металлического лития, отличается от традиционных подходов к манипуляциям с электролитом, которые сосредоточены на нанесении проводящих полимеров на поверхность металла. Работа является одной из первых углубленных характеристик химии поверхности металлического лития с помощью ЯМР и демонстрирует возможности этого метода для разработки новых электролитов для металлического лития.
Результаты Марбельи были дополнены расчетами теории функционала плотности (DFT), выполненными сотрудниками группы Viswanathan в области машиностроения в Университете Карнеги-Меллона.
«Коммерческие электролиты – это коктейль из тщательно отобранных молекул», – отмечает Марбелья. «Используя ЯМР и компьютерное моделирование, мы наконец можем понять, как эти уникальные составы электролитов улучшают характеристики литий-металлических батарей на молекулярном уровне. Это понимание в конечном итоге дает исследователям инструменты, необходимые для оптимизации конструкции электролита и создания стабильных литий-металлических батарей."
В настоящее время команда тестирует добавки щелочных металлов, которые останавливают образование вредных поверхностных слоев, в сочетании с более традиционными добавками, которые способствуют росту проводящих слоев на металлическом литии.
Они также активно используют ЯМР для прямого измерения скорости переноса лития через этот слой.