Graphene Balls предотвращают рост литиевого дендрита

Батареи на основе лития на основе металлов могут произвести революцию в секторе батарей. Благодаря теоретически сверхвысокой емкости литиевого металла, который используется сам по себе, этот новый тип батареи можно использовать для питания всего от персональных гаджетов до автомобилей.

Цзясин Хуан обнаружил смятые графеновые шарики шесть лет назад. (Кредит изображения:
Jiaxing Huang)

«В существующих батареях литий обычно атомизирован в другом материале, таком как графит или кремний в аноде», объясняет Jiaxing Huang из Northwestern Engineering. «Но использование дополнительного материала« разбавляет »производительность батареи. Литий – это металл, поэтому почему бы не использовать литий сам по себе? »

Ответ – исследовательская задача, которую ученые потратили годы, пытаясь преодолеть. Когда литий заряжается и разряжается в батарее, он начинает расти дендритами и нитями », что вызывает ряд проблем», – сказал Хуанг. « В лучшем случае это приводит к быстрому ухудшению характеристик батареи. В худшем случае это приводит к короткому замыканию батареи или даже срабатыванию огня ».

Одним из существующих решений для предотвращения деструктивных дендритов лития является использование пористых лесов, например, из углеродных материалов, на которые предпочтительно выпадает литий. Затем во время зарядки аккумулятора литий может осаждаться вдоль поверхности леса, минуя рост дендрита. Это, однако, представляет новую проблему. Поскольку литиевые отложения на и затем растворяются с пористой подложки в качестве циклов батареи, ее объем значительно увеличивается. Эта флуктуация объема вызывает стресс, который может разрушить пористую опору.

Хуан и его сотрудники расшифровали эту проблему, выбрав другой подход – тот, который даже делает батареи более легкими и способен содержать больше лития.

Ответ лежит на эшафоте, состоящем из смятых графеновых шариков, которые могут легко складываться, чтобы сформировать пористый каркас, из-за их бумажной шаровидной формы. Они не только предотвращают рост дендритов, но также могут выдержать стресс от колеблющегося объема лития. Исследование было опубликовано на обложке январского издания журнала Joule.

«Одна общая философия для создания чего-то, что может поддерживать высокий стресс, – сделать ее настолько сильной, что она нерушима», – сказал Хуан, профессор материаловедения и инженерии в инженерной школе Маккормика в Северо-западном штате. «Наша стратегия основана на противоположной идее. Вместо того, чтобы пытаться сделать его нерушимым, наш эшафот сделан из свободно уложенных частиц, которые могут легко пополняться ».

Хуан обнаружил смятые графеновые шарики шесть лет назад. Смятые графеновые шарики – это новые сверхмелкозернистые частицы, которые выглядят как мятые бумажные шарики. Он образовал частицы путем распыления дисперсии листов на основе графена в мельчайшие капли воды. Когда капли воды испарились, они получили капиллярную силу, которая смяла листы в миниатюрные бумажные шарики.

В батарее команды Хуанга скомканный графеновый каркас вмещает в себя колебания лития при его цикле между катодом и анодом. Скомканные шарики могут расходиться друг от друга, когда литиевые отложения, а затем свободно собираются вместе, когда литий истощается. Поскольку мельчайшие бумажные шарики являются проводящими и позволяют ионам лития быстро течь вдоль их поверхности, каркас образует непрерывно проводящую, пористую динамическую сеть для лития.

«Тесно упакованные смятые графеновые шары действуют как очень однородное сплошное твердое тело», – сказал Jiayan Luo, соавтор работы автора и профессор химического машиностроения в Университете Тяньцзиня в Китае. « Мы также обнаружили, что смятые графеновые шарики не образуют кластеров, а вместо этого распределены довольно равномерно».

Раньше советник Хуан, Ло получил степень доктора философии в области материаловедения и инженерии в 2013 году. В настоящее время, будучи профессором и исследователем Университета Тяньцзинь, Ло продолжает сотрудничать с Хуангом.

В отличие от батарей, которые используют графит в качестве материала-хозяина в аноде, решение Хуанга намного легче по весу и может стабилизировать более высокую нагрузку лития во время езды на велосипеде. В то время как типичные батареи инкапсулируют литий, который измеряет толщину всего в десятки микрон, батарея Huang удерживает литий в штативе на 150 мкм.

Хуан и его сотрудники подали временный патент через Северо-западное бюро инноваций и новых предприятий (INVO).

Национальный исследовательский фонд Китая, Фонд естественных наук Тяньцзиня, Китай, Государственная ключевая лаборатория химической инженерии и Управление военно-морских исследований поддержали исследование.

Source link