Ультразвук улучшает зарядку и работу литиевых батарей

Распространяя ультразвуковые волны через батарею, устройство заставляет электролит течь, насыщая литий и делая более вероятным то, что он будет образовывать однородные, плотные отложения на аноде во время зарядки

Исследователи разработали ультразвуковое излучающее устройство, которое приближает литий-металлические батареи (LMB) на один шаг к порогу коммерциализации. Хотя исследование было сосредоточено именно на LMB, его результаты могут быть использованы в любой батарее, независимо от ее химического состава.

Разработанное устройство представляет собой неотъемлемую часть батареи и функционирует, излучая ультразвуковые волны, которые способствуют созданию циркулирующего тока в электролитической жидкости, находящейся между анодом и катодом. Этот процесс предотвращает образование наростов металлического лития, называемых дендритами, во время зарядки, которые приводят к снижению производительности и коротким замыканиям в LMB.

Устройство изготовлено из готовых компонентов смартфона, которые генерируют звуковые волны на очень высоких частотах - от 100 миллионов до 10 миллиардов герц. В телефонах эти устройства используются главным образом для фильтрации беспроводного сотового сигнала, а также для идентификации и фильтрации голосовых вызовов и данных.

«Достижения в области технологий смартфонов позволили использовать ультразвук для улучшения аккумуляторов».

В настоящее время LMB не считаются жизнеспособным вариантом для питания большинства устройств, от электромобилей до электроники, потому что их срок службы слишком мал. Однако, они имеют в два раза большую емкость по сравнению с лучшими на сегодня ионно-литиевыми батареями, поэтому сохраняют определенную привлекательность.

Было показано, что на данный момент литий-металлическая батарея, оснащенная новым устройством, может заряжаться и разряжаться, сохраняя приемлемую емкость, в течение 250 циклов (для сравнения, такой показатель литий-ионной батареи составляет более 2000 циклов). Зарядка литий-металлической батареи происходила от нуля до 100 процентов за 10 минут на каждый цикл.

В настоящее время большинство усилий по исследованию аккумуляторов сосредоточено на поиске идеального химического состава, который позволил бы аккумуляторам работают дольше и заряжаются быстрее.

В этой работе исследователи, напротив, стремились решить фундаментальную проблему: тот факт, что в традиционных металлических батареях электролитическая жидкость между катодом и анодом находится в статичном состоянии.

В результате этого, когда батарея заряжается, возникает вероятность того, что литий будет неравномерно оседать на аноде. Это, в свою очередь, вызывает развитие иглоподобных структур, называемых дендритами, которые способны бесконтрольно расти от анода к катоду, что может вызвать короткое замыкание батареи или даже ее возгорание. Быстрая зарядка ускоряет это явление.

Распространяя ультразвуковые волны через батарею, устройство заставляет электролит течь, насыщая литий и делая более вероятным то, что он будет образовывать однородные, плотные отложения на аноде во время зарядки.

Задача проектирования состояла в том, чтобы понять присутствующие физические явления и найти эффективный способ интегрирования ультразвукового устройства в батарею.

«Следующим шагом будет интеграция этой технологии в коммерческое производство литий-ионных аккумуляторов».

Источник: UC San Diego