Рідкі кристали як електроліти в літій-іонних акумуляторах дозволять створювати стабільні літій-металеві елементи?

Цікаве дослідження Університету Карнегі-Меллона. Вчені запропонували використовувати рідкі кристали в літій-іонних елементах для збільшення їх щільності енергії, стабільності та зарядної здатності. Роботи ще не просунуті, тому ми чекатимемо на їх виконання щонайменше п'ять років – якщо це взагалі можливо.

Рідкі кристали зробили революцію в дисплеях, тепер вони можуть допомогти батареям

Зміст

• Рідкі кристали зробили революцію в дисплеях, тепер вони можуть допомогти батареям
  • Рідкі кристали як прийом для отримання рідко-твердого електроліту

Коротко: виробники літій-іонних елементів в даний час прагнуть збільшити щільність енергії в елементах, зберігаючи або покращуючи їх параметри, включаючи, наприклад, підвищення стабільності за високих зарядних потужностей. Ідея полягає в тому, щоб батареї були легшими, безпечнішими і швидше перезаряджалися. Трохи схоже на трикутник швидко-дешево-добре.

Одним із способів значного збільшення питомої енергії осередків (в 1,5-3 рази) є використання анодів із металевого літію (Li-metal).. Не з вуглецю або кремнію, як раніше, а з літію, елемента, який відповідає за ємність елемента. Проблема в тому, що при такому розташуванні швидко розвиваються дендрити літію, металеві виступи, які з часом з'єднують два електроди, ушкоджуючи їх.

Рідкі кристали як прийом для отримання рідко-твердого електроліту

В даний час ведуться роботи з пакування анодів у різні матеріали, щоб сформувати зовнішню оболонку, яка дозволяє потоку іонів літію, але не дозволяє твердим структурам зростати. Потенційним вирішенням проблеми також є використання твердого електроліту - стінки, крізь яку дендрити не можуть проникнути.

Вчені з Університету Карнегі-Меллона використовували інший підхід: вони хочуть залишитися з перевіреними рідкими електролітами, але на основі рідких кристалів. Рідкі кристали – це структури, які знаходяться на півдорозі між рідиною та кристалами, тобто тверді тіла з упорядкованою структурою. Рідкі кристали рідкі, та їх молекули сильно впорядковані (джерело).

На молекулярному рівні структура рідкокристалічного електроліту є просто кристалічною структурою і, таким чином, блокує зростання дендритів. Однак ми все ще маємо справу з рідиною, тобто фазою, яка дозволяє іонам текти між електродами. Зростання дендритів заблоковане, навантаження повинні текти.

У дослідженні про це не згадується, але рідкі кристали мають ще одну важливу особливість: після докладання до них напруги вони можуть розташовуватися в певному порядку (як ви можете бачити, наприклад, подивившись на ці слова і кордон між чорними літерами і світлий фон). Так що може статися так, що коли починається зарядка осередку, молекули рідких кристалів розташовуватимуться під іншим кутом і «зшкрібатимуть» дендритні опади з електродів.

Візуально це нагадуватиме закриття стулок, скажімо, у вентиляційному отворі.

Зворотною стороною ситуації є те, що Університет Карнегі-Меллона тільки розпочав дослідження нових електролітів. Вже відомо, що їхня стабільність нижча, ніж у звичайних рідких електролітів. Деградація клітин відбувається швидше, і це не той напрямок, який нас цікавить. Однак не виключено, що згодом проблему буде вирішено. Тим більше, що ми не очікуємо на появу твердотільних сполук раніше другої половини десятиліття:

> LG Chem використовує сульфіди у твердотільних елементах. Комерціалізація твердого електроліту не раніше 2028 року.

Вступне фото: процес утворення дендритів літію на електроді мікроскопічного літій-іонного осередку. Велика темна фігура зверху – другий електрод. Початкова «бульбашка» з атомів літію в якийсь момент злітає вгору, створюючи «вуси», які є основою дендриту, що формується (c) PNNL Unplugged / YouTube:

Це може вас зацікавити: