Магнитное управление литием обеспечивает безопасную, безвзрывную «батарею мечты»
Схема конструкции анода с магнитопреобразованием для гибридных литий-ионных/литий-металлических аккумуляторов с высокой плотностью энергии и без дендритов.
Разработана новая технология аккумуляторов, обеспечивающая значительно большее накопление энергии — достаточное, чтобы снизить опасения по поводу запаса хода электромобилей — при этом снижая риск термического ухода и взрыва.
Исследовательская группа POSTECH разработала гибридный анод следующего поколения, который использует внешнее магнитное поле для регулирования транспорта литий-ионов, эффективно подавляя рост дендритов в электродах высокой энергетической плотности.
Исследовательская группа POSTECH — под руководством профессора Вон Бэ Кима из кафедры химической инженерии и Высшей школы инженерии аккумуляторов совместно с доктором Сон Кю Кангом и интегрированным аспирантом Минхо Ким — внедрила стратегию «магнитоконверсии», которая применяет внешнее магнитное поле к анодам, преобразованным ферромагнитным марганцем-ферритом.
Исследование было опубликовано в журнале Energy & Environmental Science.
Проблемы безопасности и пропускной способности аккумуляторов
По мере быстрого расширения рынков электромобилей и крупномасштабного хранения энергии, аккумуляторная индустрия сталкивается с острой задачей: разработать аккумуляторы, которые будут накапливать больше энергии при сохранении безопасности.
Литиевые металлические аноды обладают исключительно высокой теоретической ёмкостью, но при многократной зарядке они склонны к образованию острых, игольчатых дендритов, которые могут пробить сепаратор, вызвать внутренние короткие замыкания и вызвать пожары или взрывы. В то же время обычные графитовые аноды — ныне широко используемые — имеют внутренние ограничения по ёмкости, что делает технологии нового поколения анодов необходимыми.
Операндо-рентгеновская микроскопия и вычислительное моделирование, раскрывающие динамическое поведение литиевого осаждения в реальном времени.
Как работает стратегия магнито-преобразования
Идея была проста: «Если магнит может выровнять железные стружки, почему бы не использовать его для организации потока ионов лития?»
Когда литий вводится в анод марганцевого феррита, он образует ферромагнитные металлические наночастицы. Под действием магнитного поля эти наночастицы выстраиваются, как крошечные магниты внутри электрода. Такое выравнивание равномерно распределяет ионы лития по поверхности, не давая им концентрироваться в определённых областях.
В ходе этого процесса сила Лоренца — сила, действующая на заряженные частицы в магнитном поле — дополнительно рассеивает ионы лития, способствуя равномерному транспорту. В результате вместо образования опасных дендритов анод формирует гладкий, плотный и однородный слой отложения литий-металла.
Кроме того, анод работает как гибридная система, накапливая литий как в оксидной матрице, так и в виде металлического литий, отложенных на поверхности.
Этот двойной механизм обеспечивает накопление энергии примерно в четыре раза больше, чем у коммерческих графитовых анодов, при этом сохраняя стабильный цикл заряд-разряд без образования дендритов. Особенно стоит отметить, что аккумулятор поддерживал кулоновский уровень эффективности выше 99% более 300 циклов, демонстрируя отличную долгосрочную стабильность.
Последствия для аккумуляторов следующего поколения
Профессор Вон Бэ Ким, руководивший исследованием, заявил: «Этот подход одновременно решает две главные проблемы анодов литиевого металла — нестабильность и образование дендритов. Это новый путь к более безопасным и надёжным литий-металлическим аккумуляторам.
«Мы ожидаем, что эта технология станет основой для повышения ёмкости, срока службы цикла и скорости зарядки аккумуляторов следующего поколения.»
