Прослойка олова: революционное решение для предотвращения коротких замыканий в литий-ионных аккумуляторах

Литий-ионные аккумуляторы славятся своей высокой плотностью энергии, возможностью быстрой перезарядки и способностью выдерживать многочисленные циклы заряда-разряда. Однако одной из самых существенных проблем, с которой сталкиваются эти аккумуляторы, является их уязвимость к коротким замыканиям. Когда происходит короткое замыкание, это может привести к внезапной потере напряжения или резкому сильноточному разряду, что может привести к выходу аккумулятора из строя. В тяжелых случаях короткие замыкания могут даже привести к перегреву, возгоранию или взрыву аккумулятора.

Понимание коротких замыканий в литий-ионных аккумуляторах

Короткое замыкание в литий-ионной батарее обычно происходит, когда между двумя электродами ячейки возникает непреднамеренное соединение. Это соединение может привести к катастрофическому отказу, особенно если оно приводит к быстрому разряду энергии. Одной из основных причин коротких замыканий в этих батареях является образование дендритов — микроскопических древовидных структур, которые растут на электродах. Если эти дендриты расширяются достаточно, чтобы достичь противоположного электрода, они могут вызвать короткое замыкание.

Роль дендритов в отказе аккумулятора

Дендриты — это кристаллические структуры, которые  образуются в процессе зарядки, особенно в условиях, когда ионы лития неравномерно осаждаются на поверхности электродов. Со временем эти дендриты растут и в конечном итоге могут пробить сепаратор, который удерживает электроды отдельно, что приводит к короткому замыканию. Это не только создает риск для безопасности, но и ограничивает эффективность и долговечность батареи.

Прорывное исследование от Университета Альберты

Исследователи из Университета Альберты (UAlberta) в сотрудничестве с Canadian Light Source (CLS) в Университете Саскачевана (USask) разработали инновационный подход к уменьшению образования дендритов в твердотельных литий-ионных аккумуляторах. Их исследование, опубликованное в Прикладные материалы и интерфейсы ACS журнал, представляет насыщенный оловом промежуточный слой между электродом и электролитом. Этот слой олова рассеивает литий во время осаждения, создавая более гладкую поверхность, которая менее способствует образованию дендритов.

Как работает оловянная прослойка

Прослойка олова действует, изменяя динамику осаждения лития на электроде. В процессе зарядки литий имеет тенденцию осаждаться таким образом, что это может привести к грубым, неровным поверхностям, которые склонны к росту дендритов. Однако слой, насыщенный оловом, способствует более равномерному осаждению лития, что приводит к образованию гладкой, устойчивой к дендритам поверхности. Это значительно снижает вероятность коротких замыканий и повышает общую стабильность батареи.

Повышенная производительность благодаря структурам, богатым оловом

Исследователи из Университета Альберты обнаружили, что батареи, оснащенные этим богатым оловом промежуточным слоем, могут выдерживать гораздо более высокие токи и выдерживать больше циклов заряда-разряда по сравнению со стандартными ячейками. Это улучшение не только продлевает срок службы батареи, но и делает ее более безопасной для высокопроизводительных приложений, таких как электромобили или крупномасштабные системы хранения энергии.

Значение канала HXMA в исследовании

Доцент Линзи Санг из факультета естественных наук (химия) университета Альберты подчеркнул решающую роль линии пучка HXMA в CLS в их исследовании. Линия пучка позволила команде наблюдать и понимать структурные изменения на поверхности лития в реальном времени на уровне материала в активной батарее. Это углубило их понимание того, как оловянный промежуточный слой подавляет образование дендритов и снижает риски короткого замыкания.

Предыдущие открытия и будущее безопасности аккумуляторов

Это не первый раз, когда команда UAlberta изучает потенциал олова как защитного слоя. В более раннем исследовании они продемонстрировали, что оловянное покрытие также может предотвратить образование дендритов в литий-ионных батареях на основе жидкого электролита. Эти совокупные результаты указывают на более широкую применимость технологии оловянного промежуточного слоя в различных типах литий-ионных батарей.

Промышленные последствия и будущие направления

По словам профессора Санга, разработка этой технологии оловянного промежуточного слоя имеет значительный потенциал для промышленного применения. Следующим шагом для исследовательской группы является разработка экономически эффективного, масштабируемого метода интеграции этого защитного слоя в производственный процесс литий-ионные аккумуляторы. В случае успеха это может привести к появлению нового поколения более безопасных и надежных аккумуляторов с широким коммерческим использованием.