По мере роста спроса на литий-металлические батареи с более высокой плотностью энергии – для электромобилей, смартфонов и дронов – стабильность SEI стала критической проблемой, препятствующей их продвижению, поскольку слой соли на поверхности литиевого электрода батареи изолирует он и проводит ионы лития.
«Этот слой очень важен и естественным образом образуется в результате реакции между литием и электролитом в батарее», – сказал Дунхай Ван, профессор механической и химической инженерии. "Но ведет себя не очень хорошо, что вызывает массу проблем."
Один из наименее изученных компонентов литий-металлических батарей, деградация SEI способствует развитию дендритов, которые представляют собой игольчатые образования, которые растут из литиевого электрода батареи и отрицательно влияют на производительность и безопасность.
Исследователи опубликовали свой подход к этой проблеме сегодня (март. 11) в материалах природы.
«Вот почему литий-металлические батареи не служат дольше – межфазная фаза растет, и она нестабильна», – сказал Ван. «В этом проекте мы использовали полимерный композит, чтобы создать намного лучший SEI."
Под руководством докторанта химии Юэ Гао усовершенствованный SEI представляет собой реактивный полимерный композит, состоящий из полимерной соли лития, наночастиц фторида лития и листов оксида графена.
Новая конструкция этого элемента батареи состоит из тонких слоев этих материалов, в которых Томас Э. Маллук, профессор химии Университета Эван Пью, поделился своим опытом.
«Существует много контроля на молекулярном уровне, который необходим для достижения стабильного литиевого интерфейса», – сказал Маллук. "Полимер, который разработали Юэ и Дунхай, реагирует, образуя когтеобразную связь с поверхностью металлического лития. Он придает поверхности лития то, что она хочет, пассивно, так что он не вступает в реакцию с молекулами электролита.
Нанолисты в композите действуют как механический барьер, предотвращающий образование дендритов из металлического лития."
Используя как химию, так и инженерное проектирование, сотрудничество между областями позволило технологии контролировать поверхность лития в атомном масштабе.
«Когда мы конструируем батареи, мы не обязательно думаем, как химики, вплоть до молекулярного уровня, но это то, что нам нужно было здесь сделать», – сказал Маллук.
Реактивный полимер также снижает вес и стоимость производства, что еще больше увеличивает будущее литий-металлических батарей.
«С более стабильным SEI можно вдвое увеличить удельную энергию текущих аккумуляторов, сделать их дольше и безопаснее», – сказал Ван.
Офис автомобильных технологий в США.S.
Эту работу поддержали Министерство энергетики и Национальный научный фонд.