Interfejs između elektroda i elektrolita u velikoj meri doprinosi efikasnosti sa kojom baterije pretvaraju energiju. Poslednjih godina, mnogi napori usmereni na razvoj baterija sa boljim performansama bili su fokusirani na prilagođavanje interfejsa elektroda/elektrolit kako bi se povećala gustina energije punjivih baterija, posebno litijum-metalnih baterija (LMB).
LMB su obećavajuća rešenja za baterije koja integrišu Li metalne anode, umesto anoda na bazi grafita koje obično koriste litijum-jonske baterije (LiB). U poređenju sa LiB baterijama, ove baterije bi mogle da ispolje znatno veću gustinu energije i veće brzine punjenja.
Bez obzira na to, mnogi do sada razvijeni LMB imaju značajna ograničenja, kao što su visoki troškovi proizvodnje, niska kulombička efikasnost i rast Li dendrita tokom punjenja. Li dendriti su strukture na bazi Li metala nalik drvetu koje se mogu formirati na površini anoda dok se baterija puni, povećavajući rizik od pregrevanja i potencijalnih požara, a istovremeno smanjujući performanse baterije.
Moguće rešenje za prevazilaženje ovog ključnog ograničenja LMB-a je regulisanje strukture solvatacije Li + i dizajniranje novih elektrolita kako bi se olakšalo formiranje međufaze čvrstog elektrolita (SEI) i stabilizovao interfejs elektroda/elektrolit. Dok su se mnoge studije fokusirale na ove ciljeve, vrlo malo njih je istraživalo kako dielektrično okruženje u baterijama doprinosi stabilizaciji/destabilizaciji ovog interfejsa.
Istraživači sa Univerziteta Zhejiang i drugih instituta u Kini nedavno su sproveli studiju koja istražuje ovo istraživačko pitanje. Njihov rad, objavljen u Nature Energi, opisuje dielektrični protokol koji bi mogao pomoći u rješavanju nekih problema povezanih sa LMB-ovima, potencijalno povećavajući njihovu sigurnost i pouzdanost.
„Kako tržišta električnih vozila i skladištenja energije nastavljaju da rastu, potražnja za LIB-ovima će nastaviti da raste“, rekao je Ksiulin Fan, koautor rada, za TechKsplore. „Međutim, da bismo postigli ekonomiju sa niskim sadržajem ugljenika ili bez ugljenika, potrebne su nam baterije koje imaju bolje performanse od trenutnih LIB-ova. Ovo zahteva tehnologiju skladištenja energije sa gustinom energije većom od 500 Vh/kg, koja bi mogla da napaja električne uređaje mnogo duže na jednom punjenju u poređenju sa litijumskim metalnim baterijama (LMB) sa metalnim elektrodama umesto grafitnih elektroda, ipak su ove baterije suočene sa problemima preranog umiranja kako u laboratoriji, tako iu industriji -trajni LMB-ovi visoke gustine energije.“
Pristup dizajniranju LMB-a uveden u istraživačkom radu razmatra efekte međufaznog električnog polja, koje se može modulirati preko dielektrika baterije, na međufazu elektroda/elektrolit. Regulisanjem dielektričnog medijuma koji se koristi u baterijama, njihov protokol obezbeđuje integritet koordinacije katjona i anjona, omogućavajući formiranje SEI od izlaganja elektrolita bogatog anjonima na međufaznom električnom polju.
„Dielektrični protokol zahteva da se parovi katjon-anjon stave u rastvarač koji se ne rastvara i ima visoku dielektričnu konstantu, koji može zaštititi parove katjon-anjon od disocijacije električnim poljem“, objasnio je Fan. „Ovo formira region bogat anjonima u blizini interfejsa elektroda-elektrolit. Takva konfiguracija međufaza može dati prioritet razgradnji anjona na interfejsu, dajući na taj način robusnu međufaznu hemiju Li depozitima u Li-metalnim ćelijama vrećice.“
„Na naelektrisanim interfejsima, parovi katjon-anjon se slažu u periodičnoj oscilatornoj raspodeli“, napisali su Zhang, Li i njihove kolege. „Amplituda niske oscilacije pogoršava razgradnju elektrolita i povećava površinsku impedansu. Predlažemo dielektrični protokol koji održava koordinaciju katjona i anjona sa visokom amplitudom oscilovanja na interfejsima, rešavajući ove probleme.“
Koristeći svoj novopredloženi protokol, tim je realizovao ultra-posni elektrolit (1 g Ah -1), koji su testirali u litijum-metalnim ćelijama. Utvrđeno je da dobijene ćelije vrećice pokazuju izuzetnu gustinu energije od 500 Vh kg -1.
„Ovaj rad otkriva prostornu distribuciju anjona i katjona na interfejsu naelektrisane elektrode i elektrolita“, rekao je Fan. „Ovo nam omogućava da prilagodimo svojstva međufaza prilagođavanjem sastava elektrolita, što može poboljšati performanse baterije.“
Druge istraživačke grupe bi uskoro mogle da crpe inspiraciju iz dielektrično posredovanog pristupa ovog istraživačkog tima za pripremu drugih obećavajućih elektrolita za LMB. Zajedno, ovi napori bi mogli da doprinesu razvoju pouzdanijih rešenja za baterije visoke gustine.
„Velika gustina energije Li-metalnih baterija može dovesti do ozbiljnih opasnosti po bezbednost kao što su požari i eksplozije“, dodao je Fan. „Naš budući rad ima za cilj da poboljša stabilnost ciklusa Li-metalnih baterija u realnim uslovima kako bi se postigla tehnologija skladištenja energije koja kombinuje i visoku gustinu energije i sigurnost.“
