Олов’яний прошарок: революційне рішення для запобігання короткому замиканню в літій-іонних батареях

Літій-іонні батареї славляться своєю високою щільністю енергії, можливістю швидкого перезаряджання та здатністю витримувати численні цикли заряджання-розряджання. Однак однією з найбільш важливих проблем, з якими стикаються ці батареї, є їх вразливість до короткого замикання. Коли виникає коротке замикання, це може призвести до раптової втрати напруги або різкого сильного розряду, що може призвести до виходу з ладу акумулятора. У важких випадках коротке замикання може навіть призвести до перегріву, займання або вибуху акумулятора.

Розуміння короткого замикання в літій-іонних батареях

Коротке замикання в літій-іонній батареї зазвичай виникає, коли виникає ненавмисне з’єднання між двома електродами елемента. Таке з'єднання може призвести до катастрофічного збою, особливо якщо це призведе до швидкого розряду енергії. Однією з основних причин короткого замикання в цих батареях є утворення дендритів — мікроскопічних деревоподібних структур, які ростуть на електродах. Якщо ці дендрити розширяться достатньо, щоб досягти протилежного електрода, вони можуть спричинити коротке замикання.

Роль дендритів у виході з ладу акумулятора

Дендрити — це кристалічні структури, які  утворюються під час процесу заряджання, особливо в умовах, коли іони літію нерівномірно осідають на поверхні електродів. З часом ці дендрити ростуть і можуть пробити сепаратор, який розділяє електроди, що призводить до короткого замикання. Це не лише загрожує безпеці, але й обмежує ефективність і довговічність батареї.

Проривні дослідження Університету Альберти

Дослідники з Університету Альберти (UAlberta) у співпраці з Canadian Light Source (CLS) в Університеті Саскачевану (USask) розробили інноваційний підхід до зменшення утворення дендритів у твердотільному літій-іонному батареї. Їх дослідження опубліковано в Прикладні матеріали та інтерфейси ACS, вводить насичений оловом прошарок між електродом і електролітом. Цей шар олова диспергує літій під час осадження, створюючи більш гладку поверхню, яка менш сприяє утворенню дендритів.

Як працює проміжний шар олова

Олов'яний прошарок діє, змінюючи динаміку осадження літію на електроді. Під час процесу заряджання літій має тенденцію відкладатися таким чином, що може призвести до шорсткості, нерівності поверхонь, які схильні до зростання дендритів. Насичений оловом шар, однак, сприяє більш рівномірному осадженню літію, що призводить до гладкої, стійкої до дендритів поверхні. Це значно зменшує ймовірність короткого замикання та підвищує загальну стабільність акумулятора.

Покращена продуктивність завдяки структурам, багатим на олово

Дослідники UAlberta виявили, що батареї, оснащені цим багатим на олово прошарком, можуть витримувати набагато вищі струми та витримувати більше циклів заряду й розряду порівняно зі стандартними елементами. Це вдосконалення не тільки подовжує термін служби батареї, але й робить її безпечнішою для високопродуктивних застосувань, наприклад, в електромобілях або великомасштабних системах зберігання енергії.

Значення лінії променя HXMA у дослідженнях

Доцент Лінгзі Санг з факультету природничих наук (хімії) університету в Альберті підкреслив вирішальну роль лінії променя HXMA у CLS у їхніх дослідженнях. Лінія променя дозволила команді спостерігати та розуміти структурні зміни на поверхні літію в режимі реального часу на матеріальному рівні в межах активної батареї. Це поглибило їхнє розуміння того, як олов’яний прошарок пригнічує утворення дендритів і пом’якшує ризики короткого замикання.

Попередні відкриття та майбутнє безпеки акумуляторів

Це не вперше команда UAlberta досліджує потенціал олова як захисного шару. У попередньому дослідженні вони продемонстрували, що покриття з олова також може запобігти утворенню дендритів у літій-іонних акумуляторах на основі рідкого електроліту. Ці сукупні висновки вказують на ширшу застосовність технології проміжного шару олова для різних типів літій-іонних батарей.

Промислові наслідки та майбутні напрямки

За словами професора Санга, розробка цієї технології проміжного шару олова має значний потенціал для промислового застосування. Наступним кроком для дослідницької групи є розробка економічно ефективного, масштабованого методу інтеграції цього захисного шару у виробничий процес літій-іонні акумулятори. У разі успіху це може призвести до створення нового покоління безпечніших і надійніших батарей для широкого комерційного використання.