Инновационная конструкция для систем хранения энергии обещает сделать аккумуляторы более безопасными и эффективными.
Современные литиевые аккумуляторы могут удерживать значительные объемы энергии, но у них есть один серьезный недостаток: при использовании жидкого электролита на поверхности литиевого анода могут формироваться дендриты — игольчатые структуры, которые непредсказуемо развиваются. Острые «ветви» дендритов способны пробить полимерную перегородку между электродами, что приводит как минимум к короткому замыканию, а в худшем случае — даже к возгоранию батареи.
Для решения этой проблемы команда специалистов Национальной лаборатории Ок-Ридж Министерства энергетики США под руководством Бишну Прасада Тхапалии разработала новый тип батареи. Вместо жидкого электролита ученые применили ионогель — материал, который не является ни жидкостью, ни твердым телом, но эффективно проводит заряженные частицы. Ионогель на основе солей лития и негорючих ионных жидкостей был нанесен слоями между ультратонкими гибкими полимерными пленками.
В результате получилась многослойная структура — так называемая псевдотвердая полиэлектролитная мембрана, которая объединяет лучшие характеристики твердых и жидких материалов. Она достаточно прочна, чтобы противостоять проколам дендритов и выдерживать внутреннее давление газов при перезарядке, и при этом эффективно проводит заряженные ионы. Такая мембрана одновременно выполняет функции как электролита, так и разделителя электродов, что устраняет необходимость в жидком электролите и может даже предотвращать или, по крайней мере, значительно замедлять процесс формирования опасных дендритов.
Лабораторные исследования продемонстрировали, что новые мембраны показывают стабильную и эффективную работу на протяжении сотен циклов зарядки и разрядки — даже в экстремальных условиях, которые обычно быстро выводят такие системы из строя. Механическая прочность конструкции обеспечивает долгосрочную надежность литий-металлических аккумуляторов.
Разработка может быть использована в различных областях: от бытовой электроники и портативных медицинских устройств до аэрокосмических систем. В будущем ученые намерены автоматизировать производство мембран с помощью роботизированной лаборатории Ок-Риджа: создание многослойных структур смогут выполнять роботы, причем они будут работать полностью автономно, даже в ночное время.
Как отмечает Тапалия, разработка проста, но у нее большие перспективы: «Наша цель — масштабировать полученный прототип и превратить его в промышленно применимую технологию, которая сделает накопители энергии безопаснее и долговечнее».
Фото: hi-tech.mail.ru