Стратегия гальванизации может привести к более безопасным, более стабильным металлическим аккумуляторам

Исследователи работают над разработкой батарей будущего.Работа выполняется в так называемых «перчаточных ящиках», закрытой и инертной среде, в которой материалы подвергаются воздействию как можно меньше внешнего влияния.Кредит: Технологический университет Чалмерса |Хенрик Сэндсё

Металлические батареи могут доставлять больше энергии с более низким весом, чем популярная литий-ионная батарея.Проблема, однако, заключается в том, что технология в настоящее время имеет слишком короткую продолжительность жизни из -за очень реактивной природы литиевого металла в этих батареях.

Новое исследование от Университета технологии Чалмерса, Швеция, показывает, где лежат проблемы и как их преодолеть, создавая металлический электрод непосредственно в батарейке.

Литий-ионные батареи являются самым популярным вариантом батареи сегодня, но в обществе, сталкивающемся с широкой электрификацией, необходимы новые технологии батареи, которые могут обеспечить больше энергии на вес или объем.Это важно для разработки электромобилей или электрических самолетов с более длинными расстояниями для более коротких расстояний.

Поэтому внимание теперь обращается к батареям с металлическими электродами, где графитовый электрод литий-ионной батареи был заменен литиевым металлом.Например, твердотельные батареи, рассматриваемые как одна из наиболее перспективных предстоящих технологий, используют металлический электрод и обеспечивают ячейки, которые обеспечивают большее количество энергии, чем сегодняшняя литий-ионная батарея.

Тем не менее, металлические электроды страдают от одной проблемы-металл реагирует, что означает, что он легко реагирует с окружением, и трудно создать длительную ячейку.

Металлические батареи являются одной из основных областей для исследовательской группы профессора Александара Матика в Департаменте физики в Чалмерсе.Они были первой исследовательской группой, которая использовала 3D-рентгеновские снимки, чтобы контролировать, как литий в литий-металлической батареи ведет себя в режиме реального времени во время использования.Эти эксперименты привели к новому пониманию важнейшей проблемы, возникающей в этом типе батареи, а именно о том, что литий образует «дендриты» или неровные структуры во время зарядки и разрядов, которые со временем влияют на стабильность и функцию батареи.

Это понимание, на которых исследователи продолжали опираться.Они представляют свои результаты исследований на металлических батареях в журнале электрохимического общества, демонстрируя простой способ избежать образования поверхностного слоя на реактивном металлическом электроде, который ухудшает срок службы цикла батареи.Их результаты указывают на будущие стратегии для создания металлических батарей более стабильными и безопасными.

Бумага называется «Электрохимические подписи на калиевом покрытии и разделении».

«Мы работаем в очень инертной среде, но даже там металл находит что -то для реагирования, и формируется поверхностный слой, что влияет на то, как ведет себя металл в батареи», - говорит Йозеф Ризелл, докторский ученик в Департаменте физики в Чалмерсе »., который является ведущим автором недавней статьи вместе с Александар Матич.

«Тем не менее, мы видели, что эти реакции можно избежать очень простыми средствами: вместо того, чтобы иметь дело с реактивными электродными материалами вне батареи, мы создаем наш электрод внутри аккумулятора через процесс, называемый гальванией. Это позволяет нам избегать реактивногоМеталл реагирует с окружающей средой, что является преимуществом, поскольку мы получаем более предсказуемый и стабильный электрод ».

“Фундаментальное понимание процессов, которые происходят в электродах батареи и вокруг него - когда мы заряжаемся и разряжаются - имеет решающее значение для разработки лучших батарей в будущем. Батарея очень сложная, и много разных вещей происходит параллельно, создаваяСистема трудно проанализировать », - говорит Йозеф Ризелл.

«Мы пытались выделить каждую реакцию или процесс отдельно и исследовать, как этот конкретный процесс влияет на функционирование батареи. Цель состоит в том, чтобы лучше понять, что происходит на металлическом электроде, когда мы используем батарею, и, таким образом, какие стратегии наиболее перспективны в созданииони работают лучше ».

Исследование является одним из многих продолжающихся в исследованиях батареи в Chalmers.Александар Матич - директор Chalmers по правительственной инициативе COMPEL.

«Этот тип фундаментальных исследований важен, чтобы проложить путь для новых концепций и технологий батареи. Без него вы можете только попробовать, например, ориентируясь без карты. Здесь мы закладываем основу для будущих инноваций, которые способствуют устойчивому обществу.Разработка.

Металл может быть получен электрохимически через процесс, называемый гальванией.Напряжение приводит электроны к электроду, а металл образуется на поверхности электрода путем реакции электронов с ионами из электролита.

Когда металлическая батарея перезаряжается, это происходит через эту самую реакцию.Тот же процесс также может быть использован для получения металлического электрода непосредственно в ячейке батареи.Создавая металлический электрод внутри аккумулятора, металл никогда не имеет возможности реагировать с примесями вне батареи и имеет лучший и более стабильный поверхностный слой.

More information: Josef Rizell et al, Electrochemical Signatures of Potassium Plating and Stripping, Journal of The Electrochemical Society (2024). DOI: 10.1149/1945-7111/ad2593