Мы живём во времена невиданного ранее расцвета носимой электроники. И это означает гигантскую зависимость от батарей — нам нужны безопасные, мощные и эффективные устройства накопления энергии. Громадным прорывом, отмеченным, в том числе и прошлогодней Нобелевской премией, стала разработка и внедрение литий-ионных батарей. Разумеется, до идеального аккумулятора ещё далеко. У литий-ионной технологии есть ограничения, недостатки, приводящие порой к печальным последствиям. Исследователи из Политехнического института Ренсселера (Rensselaer Polytechnic Institute) в последние годы предложили несколько улучшений, которые в перспективе сделают батареи ещё более дешёвыми и безопасными.
В статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), сообщается о путях преодоления хорошо известной проблемы — так называемых дендритов в аккумуляторах. В частности, предлагается заменить литий калием — гораздо более распространённым и менее дорогим элементом.
У батареи два электрода — катод и анод. В литий-ионном аккумуляторе катод обычно сделан из кобальтита лития, а анод из графита. Во время циклов зарядки и разрядки ионы лития путешествуют между этими двумя электродами.
Простая замена кобальтита лития на кобальтит калия не работает — производительность такого аккумулятора низка. Но решение есть — но для этого надо заменить графит анода металлическим калием.
«С точки зрения производительности решение может соперничать с традиционной литий-ионной батареей», — говорит ведущий автор исследования, профессор Нихил Кораткар (Nikhil Koratkar).
Дендриты на аноде батареи образуются из-за неравномерного осаждения металла по мере того, как в аккумуляторе чередуются циклы зарядки и разрядки. Со временем конгломераты металлического калия становятся длинными и ветвистыми.
В конечном итоге дендриты могут разрушить мембрану, которая нужна для разделения электродов — тогда случается короткое замыкание, и в случае достаточно мощной батареи, возгорание устройства.
Научная группа Кораткара в 2018 году предложила метод борьбы с дендритами. Для этого предполагалось нагревать аккумулятор до определённой температуры, при которой поверхность анода разглаживается. Суть метода не в том, чтобы расплавить металл, а в том, чтобы усилить поверхностную диффузию. Новая работа показывает, что в случае замены лития на калий, батареи можно будет «лечить» при более низкой температуре. Предполагается, что в будущем устройства будут способны запускать механизм восстановления своей батареи.