Найдена причина выхода литиевых батарей из строя

Исследователи обнаружили причину того, почему литий-металлические батареи выходят из строя. Во всем виноваты кусочки отложений лития, которые отрываются от поверхности анода во время разряда и захватываются в виде неактивного металла, который батарея больше не может использовать. Статья ученых опубликована в журнале Nature.

Литий-металлические батареи, которые имеют аноды из металлического лития, являются неотъемлемой частью следующего поколения технологий хранения энергии. Они обещают вдвое большую плотность, чем современные литий-ионные батареи (которые обычно имеют аноды из графита), поэтому они могут жить дольше и весить меньше. Потенциально они могут удвоить запас хода электромобилей. Но главная проблема с этим типом батарей – их низкое количество циклов заряда-разряда. Такая ситуация возникает потому, что по мере использования батареи ее запасы активного лития и электролита истощаются.

В новой работе ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего нашли виновника быстрого истощения ресурса литиевых батарей. Они разработали метод для измерения того, сколько непрореагировавшего металлического лития образуется в результате деятельности батарей. Для этого ученые добавляли воду в герметичную колбу, содержащую образец неактивного лития, который образуется на циклической полуячейке. Любые небольшие количества непрореагировавшего металлического лития химически реагируют с водой с образованием газообразного водорода. Измеряя количество выделившегося газа, исследователи смогли рассчитать массу захваченного металлического лития.

Неактивный литий также состоит из другого компонента – ионов этого элемента, которые являются строительными блоками межфазного слоя твердого электролита. Их количество также может быть легко рассчитано. В тестах на литий-металлических полуэлементах исследователи обнаружили, что непрореагировавший металлический литий является основным ингредиентом неактивной смеси веществ. Чем больше его образуется, тем ниже эффективность. Между тем количество ионов лития из слоя твердого электролита оставалось низким постоянно. Эти результаты наблюдались в восьми различных электролитах.

Используя полученные в работе результаты, ученые надеются разработать более эффективную структуру аккумуляторных батарей, повысить их эффективность и внедрить в массовое производство.