Керамический, твердотельный электролит помогает преодолеть ограничения литиевых батарей. Новая технология перезаряжаемых батарей может удвоить выход текущих ионно-литиевых элементов, что будет способствовать расширению диапазона электрических транспортных средств и времени между расходами на мобильный телефон.

Используя керамический твердотельный электролит, инженеры из Мичиганского университета использовали мощь металлических литиевых батарей без исторических проблем, связанных с низкой долговечностью и коротким замыканием. Их прорыв может привести к более продолжительной работе литиево-ионных батарей.

«Это может быть игровой чейнджер - изменение парадигмы в работе батареи», - сказал Джефф Сакамото, адъюнкт-профессор U-M по машиностроению, который возглавлял эту работу.

Первые перезаряжаемые литиевые металлические батареи содержали горючие жидкие электролиты. Кроме того, атомы лития, которые перемещались между электродами, имели тенденцию к созданию дендритов на поверхностях электродов, в конечном итоге замыкание батареи и зажигание электролита.

После этого литий-ионные батареи заменяли литие металлическими графитовыми анодами, которые поглощают литий и препятствуют образованию дендритов. Это повышает безопасность за счет плотности энергии.

Согласно U-M, графитовые аноды в литиево-ионных батареях содержат один ион лития на каждые шесть атомов углерода, что дает удельную емкость около 350 мАч / г. Металл лития в твердотельной батарее имеет удельную емкость 3,800 мАч / г.

Чтобы решить проблему сжигания лития, инженеры UM создали керамический слой, который стабилизирует поверхность, предотвращая образование дендритов, что позволяет батареям использовать плотность энергии и высокую удельную проводимость литиевого металла без присущей опасности пожара или деградации времени.

«То, что мы придумали, - это другой подход - физическая стабилизация металлической поверхности лития керамикой», - сказал Сакамото. «Это не горючее. Мы делаем его на высоте более 1800 футов в воздухе. И нет жидкости, которая, как правило, подпитывает батареи, которые вы видите. Вы избавляетесь от этого топлива, вы избавляетесь от сгорания ».

В более ранних тестах на твердотельные электролиты литиевый металл рос через керамический электролит при низкой скорости зарядки, вызывая короткое замыкание. Исследователи из U-M, как говорят, преодолели это с помощью химических и механических обработок, которые обеспечивают идеальную поверхность для лития, эффективно подавляя образование дендритов или нитей. Сакамото сказал, что это не только улучшает безопасность, но и позволяет значительно повысить скорость зарядки.

«До сих пор тарифы, на которые вы могли нанести литиевый литий, означали бы, что вам придется заряжать литиевый металлический аккумулятор за 20-50 часов [для полной мощности]», - сказал Сакамото. «С этим прорывом мы продемонстрировали, что можем заряжать батарею за три часа или меньше.

«Мы говорим о 10-процентном увеличении скорости зарядки по сравнению с предыдущими отчетами для твердотельных металлических литиевых батарей. Сейчас мы находимся на одном уровне с литиево-ионными ячейками с точки зрения тарифов, но с дополнительными преимуществами.»

Неоднократный обмен ионов между катодом и анодом вызывает видимую деградацию.

В испытаниях на керамическом электролите не наблюдалось заметного ухудшения после длительного циклирования.

«Мы проводили те же испытания в течение 22 дней», - сказал Натан Тейлор, докторант U-M по машиностроению. «Батарея была такой же в начале, как и в конце. Мы не видели никакой деградации. Нам неизвестно, какой другой объемный твердотельный электролит выполняет эти требования так долго ».

Выводы группы публикуются в «Journal of Power Sources».