Создание улучшенных батарей с использованием сжатых графеновых шариков

Инженеры подали предварительный патент на батарею с использованием сжатых графеновых шаров

 Когда в стремлении улучшить литий-ионные батареи, которые используются в мобильных устройствах и электромобилях, литий-металлические батареи обладают большим потенциалом. Хоть они и обещают удерживать гораздо больше энергии за каждый заряд, но у них есть недостатки в их нынешнем виде, особенно в том, что касается безопасности. Инженеры университета Northwestern утверждают, что смогли преодолеть эти недостатки, используя сжатые шары графена, которые становятся в линию эшафота при зарядке батареи.

“В современных батареях литий обычно распределяется атомами в другом материале, таком как графит или кремний в аноде” – говорит инженер Jiaxing Huang, из Northwestern’а. “Но использование другого материала «разбавляет» производительность батарей. Литий - это уже металл, так почему бы не использовать литий сам по себе?”

 Это дендриты, которые представляют собой микроскопические литиевые волокна, которые накапливаются на поверхности анода при зарядке аккумулятора. По мере их распространения дендриты препятствуют работе батареи, и в конечном итоге вызывают ее короткое замыкание или загораются. Мы видели, как исследователи пытаются справиться с этой проблемой, используя различные электролиты, усиливали батареи Кевларом, и создавали ветви 3D нано трубок, чтобы остановить формирование дендритов.
Лист Кевлара (Фото: Джозеф Сюй, Мичиган, инженер, коммуникации и маркетинга) (с) 

Новый материал, связанный с углеродной нано-трубкой и гибридом графена (Фото: Tour Group / Rice University) (c)

 Команда университета Northwestern’a основывалась на созданном типе графена, который был открыт в конце 2011 года. Буквально беря вдохновение от мусорной корзины с кучей бумаг, инженеры придумали способ сжать графеновые листы в шарики, сначала распыляя их на крошечные капельки воды. Когда вода начинает испаряться, она создает капиллярную силу, которая сжимает листы графена в форму грубого шара.

Сжатый графен-шар, созданный исследователями университета Northwestern’a (с) 

 В то время инженеры отметили, что графен в этой форме обладает хорошим потенциалом для хранения энергии, т.к. он мог сохранять те же электрические свойства, что и площадь поверхности графеновых листов, которые могут быть упакованы в более плотную структуру.

 Сейчас они работают над размещением своих сжатых графеновых шариков в качестве пористого каркаса для анода в металлическом аккумуляторе нового типа. Пористый каркас рассматривается, как наиболее перспективная часть соединения типов в экспериментальных устройствах, когда при зарядке батареи литиевые осадки преимущественно остаются на них, чтобы избежать роста дендритов.

 Но при решении одной проблемы, возникает другая. Поскольку литий покрывает поверхность каркаса, а затем растворяется в цикле аккумуляторной батареи, он заставляет структуру расширяться и сжиматься как влажная и сухая губка, в свою очередь создавая стрессовую ситуацию, которая может разбить его на части. Хотя создание более крепкого каркаса может показаться очевидным решением, Huang и его команда придерживаются иного подхода.

“Наша стратегия – это обратное мышление” – говорит Huang в интервью New Atlas. “Частицы не склеиваются друг с другом. При впитывании лития, который является непрерывной частью проводящего металла (лития и графена), литий разделяется, и частицы не могут реорганизоваться или «прижаться» друг к другу, что образует сплошной и однородный слой графена”.

 Благодаря этому новому корпусу, который может противостоять колебаниям в объёме из-за батарейных циклов, команда положила начало работы в создания аккумулятора, где будет действовать однородная непрерывная сеть из ионов лития, протекающих по поверхности. Исследователи говорят, что эта батарея будет намного легче, чем обычная литиевая батарея, и там где обычная инкапсуляция батареи может удерживать литий лишь толщиной в десятки микрон, их решение сможет удерживать литий в 150 микрон. Инженеры подали предварительный патент на их технологию, хотя по прежнему остается много неизвестного в изучении ее тонкостей.

“Существует ряд очень интригующих фундаментальных вопросов в науке, основанных на результатах ” – говорит Huang. “Например, меня особенно интересует, почему литий-металл, продолжает свой рост гладко, вместо образования дендрита, когда они растут за пределами слоя сжатых частиц графена. Ваши собственные открытия и наблюдения часто являются лучшим источником вдохновения для вашей следующей работы.”

Исследование было опубликовано в журнале Joule. (с) 

ИСТОЧНИК