Батареи из нанотрубок

Для того, чтобы создать высокомощные и быстро заряжающиеся литиевые металлические батареи, которые придут на замену обычным литий-ионные батареи, ученые из Университета Райса очень рассчитывают на пленки из углеродных нанотрубок.

Выпускник Университета Райс Глэдис Лопес-Сильва держит литиево-металлический анод с пленкой углеродных нанотрубок. Как только пленка прикрепляется, она пропитывается ионами лития и становится красной. Фото: Джефф Фитлоу / Университет Райса

Исследования показали, что тонкие пленки нанотрубок эффективно останавливают дендриты, которые естественным образом растут из незащищенных металлических анодов лития в батареях. Со временем эти дендриты, подобно щупальцам, могут прокалывать сердечник электролита батареи и достигать катода, вызывая потерю емкости батареи.

Вышеназваннаяпроблема и уменьшение использования литиевых металлов при коммерческом использовании побудила исследователей по всему миру взяться за их решение.

Литиевые металлы

Литиевые металлы заряжаются намного быстрее и имеют примерно в 10 раз больше энергии по объему, чем литий-ионные электроды, находящиеся практически в каждом электронном устройстве, включая мобильные телефоны и электромобили.

«Одним из способов замедления дендритов в литий-ионных батареях является ограничение скорости их зарядки», – сказал Тур. «Но пользователям это не нравится, они хотят быстро заряжать батареи».

Ответ команды Университета Райса, подробно изложенный в Advanced Materials, прост, недорог и очень эффективен и подходит для остановки роста дендритов, сказал Тур.

«То, что мы сделали, оказалось очень простым, – сказал он. «Вы просто покрываете литиевую металлическую фольгу многослойной углеродной нанотрубкой. Литий поглощает пленку нанотрубки, которая превращается из черного в красный, а пленка, в свою очередь, рассеивает ионы лития».

«Физический контакт с литиевым металлом снижает пленку из нанотрубок, но уравновешивает ее добавлением ионов лития. Ионы распределяются по всей пленке нанотрубок», – сказали соавторы статьи Райс Родриго Сальвайтерра с аспирантом Глэдис Лопес-Сильва.

Когда батарея используется, пленка разряжает сохраненные ионы, а основной литиевый анод заполняет ее, сохраняя способность пленки останавливать рост дендрита.

Нанотрубки против дендритов

Нанотрубки эффективно гасили дендриты в течение 580 циклов зарядки/разрядки тестовой батареи с помощью серно-углеродного катода, разработанного в предыдущих экспериментах. Исследователи сообщили, что полные литиевые металлические ячейки сохранили 99,8 процента их кулоновской эффективности. Это показатель того, насколько хорошо электроны движутся внутри данной электрохимической системы.

Rodrigo V. Salvatierra, Gladys A. López-Silva, Almaz S. Jalilov, Jongwon Yoon, Gang Wu, Ah-Lim Tsai, and James M. Tour.

Suppressing Li Metal Dendrites Through a Solid Li-Ion Backup Layer.

Advanced Materials, 2018 DOI: 10.1002/adma.201803869