Батарея Rice хранит литий в уникальном аноде, бесшовном гибриде графена и углеродных нанотрубок. Материал, впервые созданный в Райсе в 2012 году, по сути, представляет собой трехмерную углеродную поверхность, которая обеспечивает обширную площадь для обитания лития.
Сам анод приближается к теоретическому максимуму для хранения металлического лития, сопротивляясь образованию повреждающих дендритов или «мшистых» отложений.
Дендритам мешают попытки заменить литий-ионные современные литий-металлические батареи, которые служат дольше и заряжаются быстрее. Дендриты – это отложения лития, которые превращаются в электролит аккумулятора. Если они соединят анод и катод и создадут короткое замыкание, батарея может выйти из строя, загореться или даже взорваться.
Исследователи риса под руководством химика Джеймса Тура обнаружили, что когда новые батареи заряжаются, металлический литий равномерно покрывает высокопроводящий углеродный гибрид, в котором нанотрубки ковалентно связаны с поверхностью графена.
Как сообщается в журнале ACS Nano Американского химического общества, гибрид заменяет графитовые аноды в обычных литий-ионных батареях, которые жертвуют емкостью ради безопасности.
«Литий-ионные батареи, без сомнения, изменили мир, – сказал Тур, – но они настолько хороши, насколько это возможно.
Батареи вашего мобильного телефона не хватит, пока не появятся новые технологии."
Он сказал, что в лесу нанотрубок нового анода, с его низкой плотностью и большой площадью поверхности, есть много места для частиц лития, чтобы скользить внутрь и наружу, когда батарея заряжается и разряжается.
Литий равномерно распределяется, распределяя ток, переносимый ионами в электролите, и подавляя рост дендритов.
Хотя емкость прототипа батареи ограничена катодом, анодный материал обеспечивает литиевую емкость 3351 миллиампер-час на грамм, что близко к теоретическому максимуму и в 10 раз больше, чем у литий-ионных батарей, сказал Тур.
По его словам, из-за низкой плотности ковра из нанотрубок способность лития покрывать весь путь до подложки обеспечивает максимальное использование доступного объема.
У исследователей была своя "Ага!"момент в 2014 году, когда со-ведущий автор Абдул-Рахман Раджи, бывший аспирант в лаборатории Тура, а теперь доктор наук в Кембриджском университете, начал эксперименты с металлическим литием и гибридом графена и нанотрубок.
«Я пришел к выводу, что металлический литий должен быть нанесен на электрод, анализируя результаты экспериментов, проведенных для хранения ионов лития в материале анода в сочетании с катодом из оксида лития-кобальта в полной ячейке», – сказал Раджи. "Мы были взволнованы, потому что профиль напряжения всей ячейки был очень плоским.
В тот момент мы знали, что нашли что-то особенное."
В течение недели Раджи и со-ведущий автор Родриго Виллегас Сальватьерра, научный сотрудник Райса, разместили металлический литий на автономном гибридном аноде, чтобы они могли поближе познакомиться с микроскопом. «Мы были ошеломлены, обнаружив, что дендриты не выросли, а остальное уже история», – сказал Раджи.
Для тестирования анода лаборатория Райса построила полные батареи с катодами на основе серы, которые сохранили 80% емкости после более чем 500 циклов заряда-разряда, что составляет примерно два года использования обычного пользователя мобильного телефона, сказал Тур.
Электронно-микроскопические изображения анодов после тестирования не показали никаких признаков дендритов или мохоподобных структур, которые наблюдались на плоских анодах. Исследователи сообщили, что невооруженным глазом аноды в батареях размером в четверть были темными, когда они были пусты от металлического лития, и серебра, когда они были заполнены.
«Многие люди, занимающиеся исследованиями аккумуляторов, делают только анод, потому что сделать весь комплект намного сложнее», – сказал Тур. «Нам пришлось разработать соответствующую катодную технологию на основе серы, чтобы разместить эти литиевые аноды сверхвысокой емкости в системах первого поколения. Мы производим эти полные батареи, катод плюс анод, в пилотном масштабе, и они проходят испытания."