В последние годы ученые активно занимаются разработкой новых типов аккумуляторных батарей, показатели которых должны по всем параметрам превосходить показатели нынешних литий-ионных батарей. Одним из самых перспективных типов считаются литий-металлические батареи, однако они обладают одним недостатком - быстрым ростом дендритов, древовидных токопроводящих образований из металла, которые сначала снижают емкость батареи, а потом приводят к ее полному выходу из строя.
Недавно, исследователи из университета Райса (Rice University) в американском штате Техас нашли многообещающее решение проблемы роста дендритов. Для предотвращения этого на поверхность электродов наносится покрытие из специального порошка, позволяющее сохранить батарею в исправности долгое время.
В литий-металлических батареях графитовый электрод, используемый в качестве анода в литий-ионных батареях, заменен электродом из чистого металлического лития. Это позволяет значительно увеличить показатель плотности хранения энергии, сократить время зарядки и на порядок поднять количество циклов заряда-разрядки, которое батарея выдерживает без существенной потери ее емкости.
Однако, как уже упоминалось выше, активный рост дендритов приводит к потере емкости, выходу из строя и самовозгоранию в особо тяжелых случаях. Ученые из университета Райса уже давно работают над решением этой проблемы, и они уже разработали несколько методов борьбы с дендритами, основанные на использовании углеродных нанотрубок, лазерной обработки и специализированных покрытий.
На этот раз ученые предложили новый, достаточно простой и эффективный способ защиты анода. Сначала анод подвергается специальной обработке, которая придает ему сильно текстурированную поверхность. После этого на обработанную поверхность наносится слой мелкодисперсного порошка из соединения, содержащего серу и фосфор. Это соединение вступает в химическую реакцию с материалом анода и на ней возникает идеальное защитное покрытие, которое изменяет энергетику поверхности и предотвращает потерю анодом металлического лития.
Более того, само покрытие выступает в роли своего рода стабилизатора, сглаживающие броски тока, отдаваемого батареей, что сказывает в положительную сторону на ее долговечности. В ходе экспериментов батареи с защищенным анодом после 340 циклов заряда разрядки сохранили на 70 процентов больше емкости, чем батареи без защитного покрытия. И если взять другую основную метрику деградации батарей, называемую поляризацией, то новое защитное покрытие позволило удержать сверхнизкий уровень поляризации на протяжении 4 тысяч часов, приблизительно в восемь раз дольше, чем обычные батареи.
"Использование порошкового покрытия металлического литиевого анода значительно снижает темпы роста древовидных металлических образований, дендритов, которые приводят к выходу батареи из строя. Также это препятствует ускоренному расходу материала анода, что повышает ресурс батареи" - пишут исследователи, - "Наше новое защитное покрытие позволит значительно упростить производство и эксплуатацию мощных аккумуляторных батарей, увеличив, при этом их многие ключевые параметры".