Калиево-металлическая батарея становится конкурентом литий-ионной

батарейки

От сотовых телефонов, до электромобилей — человечество все больше зависит от батарей. По мере того, как спрос на безопасное, эффективное и мощное накопление энергии продолжает увеличиваться, растет и призыв к многообещающим альтернативам перезаряжаемым литий-ионным батареям, которые стали доминирующей технологией в этом пространстве.

В исследовании, опубликованном в Proceedings Национальной академии наук, ученые из Политехнического института Ренсселера демонстрируют, как они могут преодолеть постоянную проблему, известную как дендриты, для создания металлической батареи, которая работает почти так же, как литий-ионная батарея, но полагается на калий — гораздо более распространенный и менее дорогой элемент.

батарейки

Американские ученые говорят, что они решили проблему образования дендритов, которая сдерживала разработку дешевых, мощных, высокоплотных калиевых батарей.

Аккумуляторы содержат два электрода — катод на одном конце и анод на другом. Если вы заглянете внутрь литий-ионной батареи, вы обычно найдете катод из оксида лития-кобальта и анод из графита. Во время зарядки и разрядки, ионы лития текут взад и вперед между этими двумя электродами.

При такой установке, если бы исследователи просто заменили оксид лития-кобальта на оксид калия-кобальта, производительность снизилась бы. Калий является более крупным и тяжелым элементом и, следовательно, менее энергоемким. Вместо этого Команда Rensselaer надеялась повысить производительность калия, также заменив графитовый анод на металлический калий.

«С точки зрения производительности это может соперничать с традиционной литий-ионной батареей», — сказал Нихил Кораткар, профессор механики, аэрокосмической и ядерной инженерии в Rensselaer и ведущий автор этой статьи.
Хотя металлические батареи показали большие перспективы, они также традиционно страдают от накопления металлических отложений, называемых дендритами, на аноде. Дендриты образуются из-за неравномерного осаждения металлического калия, когда батарея подвергается повторным циклам зарядки и разрядки. Со временем Кораткар объяснил: конгломераты металлического калия становятся длинными и почти ветвистыми.

дендриты

Эта грубая иллюстрация показывает, как пики дендритов могут пробить разделительный слой и вызвать короткое замыкание батареи.

Если они растут слишком долго, они в конечном итоге пробьют изолирующий мембранный сепаратор, предназначенный для того, чтобы электроды не касались друг друга и не замыкали батарею.
Тепло образуется при коротком замыкании батареи и может привести к возгоранию органического электролита внутри устройства.

В этой статье Кораткар и его команда, в которую вошли Пратик Хундекар, докторант Rensselaer, и исследователи из Университета Мэриленда, в том числе Чуншен Ван, профессор химической и биомолекулярной инженерии — объяснили, как их решение этой проблемы открывает путь для практического использования потребителем. Работая с аккумулятором с относительно высокой скоростью зарядки и разрядки, они могут хорошо контролировать температуру внутри аккумулятора и побуждать дендриты к самовосстановлению на аноде.
Кораткар сравнивает процесс самовосстановления с тем, что происходит с кучей снега после окончания шторма. Ветер и солнце помогают отодвинуть чешуйки снега, уменьшив их размеры и, в конечном счете, сгладив их.

Аналогичным образом, во время повышения температуры внутри батареи металлический калий выдержит этот процесс и не расплавится. Всё это помогает активировать поверхностную диффузию, поэтому атомы калия перемещаются в боковом направлении от созданной ими «стопки», эффективно сглаживая дендрит.

«При таком подходе идея заключается в том, что ночью или когда вы не используете аккумулятор, у вас будет система управления батареями, которая будет подавать это локальное тепло, что приведет к самовосстановлению дендритов », — сказал Кораткар.

Кораткар и его команда ранее продемонстрировали подобный метод самовосстановления с литий-металлическими батареями, но они обнаружили, что калий-металлическая батарея требует гораздо меньше тепла для завершения процесса восстановления. Это многообещающее открытие, сказал Кораткар, означает, что калий-металлическая батарея может быть более эффективной, безопасной и практичной.

(Visited 1 times, 1 visits today)

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *