В Южной Корее разрабатывают безанодную литий-металлическую батарею с самой высокой в мире удельной энергией - 1270 Втч/л

Корреспондент Гу Бон Хёк

- POSTECH, KAIST и Университет Кёнсан достигли самую высокую в мире плотность энергии

Электромобиль [Getty Images Bank]

Совместная исследовательская команда, в которую вошли профессор Пак Су Чжин и доктор Хан Дон Ёп из факультета химии POSTECH, профессор Чхве Нам Сун и доктор Ким Сэ Хун (в настоящее время работает в Научно-исследовательском институте электроники и телекоммуникаций Кореи) из факультета химической и биомолекулярной инженерии KAIST, а также профессор Ли Тхэ Кён и исследователь Сон Чжун Су из факультета материаловедения и инженерии Национального университета Кёнсан, смогла изготовить «литий-металлическую батарею без анода» с удельной энергией в 1270 Втч/л (ватт-часов на литр). Это примерно в два раза превышает уровень литий-ионных батарей, которые в настоящее время используются в электромобилях (около 650 Втч/л).

В «литий-металлической батарее без анода» в буквальном смысле отсутствует анод. Вместо этого литий из катода мигрирует и оседает непосредственно на медной пластине во время зарядки. Благодаря устранению ненужных компонентов больше внутреннего пространства батареи может быть использовано для хранения энергии. Это похоже на то, как если бы в бак того же размера помещалось больше топлива. Проблемы заключаются в безопасности и сроке службы. Если литий осаждается неравномерно, могут расти дендриты (игольчатые кристаллические структуры), что создает риск взрыва. Более того, повторная зарядка и разрядка вызывают растрескивание поверхности, что значительно сокращает срок службы.

Слева направо: профессор Пак Су Чжин (POSTECH), доктор Хан Дон Ёп (POSTECH), профессор Чхве Нам Сун (KAIST), доктор Ким Сэ Хун (KAIST), исследователь Сон Чжун Су (Национальный университет Кёнсан).

Для решения этой проблемы исследовательская группа приняла стратегию, сочетающую «обратимый хост (RH)» с «специально разработанным электролитом (DEL)». «Литиевый хост» равномерно распределяет наночастицы серебра (Ag) в полимерной структуре, направляя литий в определенные места, а не позволяя ему накапливаться случайным образом. Это создает своего рода «специальные парковки для лития», где он может оседать упорядоченно.

К этому был добавлен «специально разработанный электролит». Электролит — это жидкость внутри батареи, которая служит путем для перемещения лития. Разработанный исследовательской группой электролит вступает в реакцию с литием, образуя тонкий, но жесткий защитный слой, состоящий из Li₂O и Li₃N. Этот защитный слой обволакивает поверхность лития, как повязка на коже, предотвращая рост дендритов и сохраняя путь для перемещения лития открытым.

Иллюстрация эффекта от литиевого хоста и специально разработанного электролита, наряду с фотографией пакетного элемента 1270 Втч/л и графиком его производительности по циклам

Комбинированная система RH-DEL сохранила 81,9 % своей первоначальной емкости после 100 циклов заряда-разряда в условиях высокой емкости (4,6 мАч/см²) и плотности тока (2,3 мА/см²), достигнув средней энергоэффективности 99,6 %. Опираясь на эту стабильную производительность, исследовательской группе удалось получить удельную энергию 1270 Вт·ч/л в литиево-металлической батарее без анода.

Примечательно, что это достижение было подтверждено не только в небольших лабораторных элементах, но и в элементах пакетного типа. Она стабильно работала даже в условиях низкого давления (20 кПа) с минимальным количеством электролита (E/C = 2,5 г/Ач). Это означает, что при применении в реальных транспортных средствах она может снизить вес и объем, одновременно уменьшив производственные затраты, что, в свою очередь, значительно повышает ее коммерческий потенциал.

Электрод изготовлен путем нанесения ионно-проводящего слоя, состоящего из полиэтилениминового полимера, серебра, соли лития и технического углерода, на поверхность медного токосборника. Этот ионно-проводящий субстрат может обеспечивать работу батареи, эффективно принимая и высвобождая ионы лития во время зарядки и разрядки. <Предоставлено POSTECH>

«Это значимое достижение, одновременно решающее проблемы производительности и срока службы литий-металлических батарей без анода» - сказал профессор Пак Су Чжин.

Результаты исследования опубликованы в международном научном журнале «Advanced Materials».

nbgkoo@heraldcorp.com

#южнаякорея #корея #политика #экономика #промышленность #технология #аккумулятор #батарей #электромобили #медицина #бизнес #финансы #общество #культура #искусство #азия