Команда HKUST разработала монокристаллический электролит на основе COF, который повышает безопасность и срок службы литиевых батарей.
Исследователи из Гонконгского университета науки и технологий разработали новый материал, который может решить одну из самых больших проблем литий-металлических батарей.
Команда разработала монокристаллическую трехмерную боратную ковалентную органическую структуру, которая работает как твердотельный электролит, повышая как безопасность, так и производительность.
Литий-металлические батареи рассматриваются как следующий шаг после существующих литий-ионных систем, особенно для электромобилей и крупномасштабных систем хранения энергии.
Однако они столкнулись с проблемами безопасности, главным образом из-за образования литиевых дендритов и нестабильных интерфейсов, которые приводят к деградации и коротким замыканиям.
Ковалентные органические каркасы исследуются в качестве потенциальных электролитных материалов благодаря их пористой и стабильной структуре.
Однако большинство существующих версий являются поликристаллическими, что создает сопротивление на границах зерен и ограничивает эффективность перемещения ионов внутри материала.
Для преодоления этой проблемы команда использовала COF-303 в качестве шаблона для построения монокристаллической структуры с высокоупорядоченными ионными каналами.
Такая конструкция снижает межзеренное сопротивление и обеспечивает более равномерное осаждение лития, что помогает подавить образование дендритов.
Упорядоченные ионные каналы материала также обеспечивают более равномерный поток ионов через электролит, уменьшая образование зон перегрева и неравномерные реакции. Это может помочь увеличить срок службы батареи в реальных условиях, где многократные циклы зарядки часто приводят к снижению производительности и создают риски для безопасности.
Преодоление барьера роста дендритов
Новый материал демонстрирует высокие электрохимические характеристики по нескольким ключевым показателям. Он обеспечивает ионную проводимость 8,1 мСм см−1 при комнатной температуре и число переноса Li+ 0,98, что позволяет осуществлять быстрый и селективный транспорт ионов внутри батареи.
Система также демонстрирует улучшенную стабильность. Испытания показали стабильное осаждение и удаление лития в течение более 2000 часов в симметричных ячейках, что указывает на долговременную эксплуатационную надежность и снижение рисков для безопасности.
В конфигурациях с полноячеечными элементами, использующими катоды из LiFePO4, батареи сохраняли 91,8% емкости на протяжении 600 циклов, при этом кулоновская эффективность составляла 99,98%.
Элементы продемонстрировали начальную емкость 147 мАч·г⁻¹, что указывает на стабильную работу при длительном использовании.
В работе показано, как структурный контроль на материальном уровне может напрямую влиять на производительность батареи.
Устранив нарушения структуры, наблюдаемые в поликристаллических каркасах, исследователи смогли повысить как эффективность, так и безопасность систем на основе металлического лития.
На пути к более безопасному хранению энергии
«Наше исследование подчеркивает многообещающую перспективность монокристаллических 3D B-COF в качестве квазитвердотельных электролитов», — сказал профессор Юнсоб Ким.
«Устранив структурные нарушения, присущие поликристаллическим материалам, мы сделали значительный шаг на пути к созданию высокоэффективных и безопасных решений для хранения энергии, которые имеют решающее значение для более экологичного будущего».
Исследование проводилось в сотрудничестве с Шанхайским университетом Цзяотун, что отражает растущие международные усилия по развитию технологий производства аккумуляторов следующего поколения.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что монокристаллические COF могут сыграть ключевую роль в создании практичных твердотельных литий-металлических батарей.
В случае успешного масштабирования этот подход может помочь преодолеть давние ограничения в проектировании батарей, особенно в тех областях применения, где требуется как высокая плотность энергии, так и долговременная стабильность.
Это включает в себя электромобили, системы хранения энергии в электросетях и другие энергоемкие системы, где безопасность остается критически важным вопросом.
Sourse: interestingengineering.com
