Folyékony megoldás a dendrit növekedésére lítium fém akkumulátorokban

A Davis-i Kaliforniai Egyetem Vegyészmérnöki Tanszékének docensének, Wan Jiandinak a csapata új tanulmányt tett közzé a Scientific Progress folyóiratban, amelyben potenciális megoldást javasol az újratölthető fém lítium akkumulátorok dendrites növekedésére. Ebben a cikkben Wan csapata bemutatta, hogy a katód közelében áramló ionok javíthatják a következő generációs újratölthető akkumulátorok biztonságát és élettartamát.

A fém lítium akkumulátorok lítium fémet használnak anódként. Ezeknek az akkumulátoroknak a töltéssűrűsége és a potenciális energia kétszerese a hagyományos lítium-ion akkumulátorokénak, de a biztonság komoly aggodalomra ad okot. Amikor feltöltődnek, egyes ionok fémes lítiummá redukálódnak a katód felületén, és szabálytalan dendrites mikrostruktúrákat - dendriteket - képeznek, amelyek végül rövidzárlathoz vagy akár robbanáshoz vezethetnek.

Az elmélet szerint a katódfelület közelében lévő lítium-ionok tömegátviteli sebessége és redukciós sebessége közötti versengés dendritek növekedéséhez vezet. Ha az ionok redukciós sebessége sokkal gyorsabb, mint a tömegátadás, akkor a katód közelében semleges rést hoz létre, amelyet tértöltésű rétegnek neveznek, és amely nem tartalmaz ionokat. Úgy gondolják, hogy ennek a rétegnek az instabilitása dendritek növekedéséhez vezet, így ennek csökkentése vagy megszüntetése csökkentheti a dendritek növekedését, ezáltal meghosszabbítva az akkumulátor élettartamát.

Wan ötlete az, hogy lehetővé tegye az ionok számára, hogy visszanyerjék a töltést, és kiküszöböljék ezt a rést egy mikrofluidikus csatornán keresztül a katódon keresztül. A cikkben a csapat felvázolta a koncepciótesztelés bizonyítékát, és megállapította, hogy ez az ionáramlás akár 99%-kal is csökkentheti a dendrit növekedését.

Wan számára ez a tanulmány izgalmas, mivel bemutatja a mikrofluidikai alkalmazások hatékonyságát az akkumulátorral kapcsolatos kérdésekben, és előkészíti az utat a jövőbeli kutatások számára ezen a területen.

"Ezen az alapkutatáson és a mikrofluidikai módszereken keresztül kvantitatívan megérthetjük az áramlás hatását a dendritnövekedésre" - mondta. "Még nem sok csoport végzett kutatást ezzel kapcsolatban."

Bár nem valószínű, hogy a mikrofluidikát közvetlenül integrálják egy valódi akkumulátorba, Wan csapata alternatív módszereket keres a tanulmány alapelveinek alkalmazására azáltal, hogy a katódfelület közelében helyi áramlást vezet be a kationok kompenzálására és a tértöltési réteg megszüntetésére.

Azt mondta: "Örülünk, hogy felfedezhetjük ennek a kutatásnak az új alkalmazásait." "Elkezdtük a katódfelületek tervezését a konvekció bevezetése érdekében."