Восстанавливающееся покрытие решает проблему литий-ионных батарей

Замена традиционного для современных литий-ионных батарей графитового электрода на металлический (например, литиевый) теоретически способна значительно увеличить их энергоёмкость. Препятствием к этому до сих пор было неоднородное осаждение металла в процессе зарядки, ведущее к появлению дендритов. Со временем дендриты достигают такой величины, что могут вызывать короткое замыкание и выводить из строй батарею. Существенно сокращают срок её эксплуатации и побочные реакции между металлом электрода и электролитом.

Идеальным выходом было бы создание пассивирующего слоя, который предотвращал бы непосредственный контакт с электролитом, однако повторяющиеся циклы расширения и сжатия при зарядке и разрядке постепенно разрушают такой слой и открывают доступ к реактивному металлу.

Группы исследователей, работающие под руководством Равишанкара Сундарарамана (Ravishankar Sundararaman) в Политехническом институте Ренселлера (Трой, штат Нью-Йорк) и Линдена Арчера (Lynden A. Archer) в Корнелльском университете (Итака, штат Нью-Йорк) предложили в журнале Angewandte Chemie оригинальное решение, основанное на химии ионообменных процессов.

Просто погрузив электрод в раствор соли индия они получали методом химического восстановления слой индия на поверхности лития. Такое покрытие не только равномерно и однородно, но также обладает способностью самовосстановления в случае если в электролит добавлено небольшое количество солей индия.

Благодаря этому интерфейсный слой проходит неповрежденным через многочисленные циклы зарядки/разрядки, сохраняя свой химический состав и предотвращая побочные реакции. Также подавляется зарождение дендритов, и поверхность электрода остаётся гладкой.

Выполненное компьютерное моделирование показало, что предложенный метод столь эффективен благодаря тому, что ионы лития очень слабо связываются с индиевым покрытием. Эти ионы образуют сплав с индием, что позволяет им очень быстро перемещаться по поверхности, прежде чем поникнуть сквозь неё и присоединиться к литиевому электроду.

В составе полноценных батарей с коммерческими катодами новые гибридные индиево-литиевые аноды оставались стабильными на протяжении свыше 250 циклов, сохранив примерно 90% исходной ёмкости.