Výzkumníci z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) vyvinuli novou baterii typu lithium–kov, která vydrží nejméně nejméně 6 000 cyklů – více než jakýkoli jiný srovnatelný článek – a lze ji nabít během několika minut.
„Baterie s anodou typu lithium–kov jsou považovány za svatý grál baterií, protože mají desetkrát větší kapacitu než komerční grafitové anody a mohly by výrazně prodloužit dojezdovou vzdálenost elektromobilů,“ uvádí hlavní autor studie Xin Li ze SEAS. „Náš výzkum je důležitým krokem k praktičtějším bateriím s pevným elektrolytem pro průmyslové aplikace.“
Jedním z největších problémů při konstrukci baterií lithium-kov je tvorba dendritů na povrchu anody. Tyto struktury prorůstají jako kořeny do elektrolytu a prorážejí bariéru oddělující anodu a katodu, což může způsobit zkrat nebo dokonce vznícení baterie. Dendrity vznikají, když se ionty lithia během nabíjení přesouvají z katody na anodu a připojují se k povrchu anody. Toto pokovování na anodě vytváří nerovný, nehomogenní povrch a umožňuje zakořenění dendritů. Při vybíjení je třeba tento povlak podobný zubnímu plaku z anody odstranit, a pokud je pokovení nerovnoměrné, může být proces odstraňování pomalý a nedokončí se. Mechanické nerovnosti při dalším nabíjení vyvolávají ještě nerovnoměrnější pokovení.
V roce 2021 Li a jeho tým nabídli nový způsob, jak se s dendrity vypořádat: navrhli vícevrstvou baterii, která mezi anodu a katodu vkládá různé materiály s různou stabilitou. Tato vícevrstvá, vícemateriálová konstrukce zabránila pronikání lithiových dendritů nikoliv tím, že by je zcela zastavila, ale spíše tím, že je kontrolovala a zadržovala. V tomto novém výzkumu Li a jeho tým zabránili vzniku dendritů tím, že v anodě použili částice křemíku o velikosti mikronů, které omezují reakce lithia a usnadňují homogenní pokovení silnou vrstvou kovového lithia.
V tomto provedení se při pohybu iontů lithia z katody na anodu během nabíjení lithiová reakce omezuje na mělkém povrchu a ionty se připojují k povrchu křemíkové částice, ale nepronikají dále. To se výrazně liší od chemie kapalných lithium-iontových baterií. Částice křemíku potažené lithiem vytvářejí homogenní povrch, po kterém je rovnoměrně rozložena proudová hustota, což zabraňuje růstu dendritů. A protože pokovení a odizolování může na rovnoměrném povrchu probíhat rychle, baterie se může dobít za pouhých 10 minut.
Výzkumníci sestrojili verzi baterie o velikosti poštovní známky, která si po 6 000 cyklech zachovala 80 % své kapacity. Technologie byla prozatím licencována společnosti Adden Energy (spin-off příslušné univerzity).
Luhan Ye et al, Fast cycling of lithium metal in solid-state batteries by constriction-susceptible anode materials, Nature Materials (2024). DOI: 10.1038/s41563-023-01722-x
Zdroj: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences / Phys.org, přeloženo /zkráceno
