Nestemäinen liuos dendriitin kasvattamiseen litiummetalliakuissa

Kalifornian yliopiston Davisin kemiantekniikan laitoksen apulaisprofessori Wan Jiandin tiimi on julkaissut uuden artikkelin Scientific Progress -lehdessä, jossa ehdotetaan mahdollista ratkaisua dendriittien kasvuun ladattavissa litiummetalliakuissa. Tässä artikkelissa Wanin tiimi osoitti, että katodin lähellä virtaavat ionit voivat parantaa seuraavan sukupolven ladattavien akkujen turvallisuutta ja käyttöikää.

Litiummetalliakut käyttävät litiummetallia anodina. Näillä akuilla on korkea lataustiheys ja potentiaalinen energia, joka on kaksinkertainen perinteisiin litiumioniakkuihin verrattuna, mutta turvallisuus on suuri huolenaihe. Varautuessaan jotkin ionit pelkistyvät metalliksi litiumiksi katodin pinnalla ja muodostavat epäsäännöllisiä dendriittisiä mikrorakenteita - dendriittejä, jotka voivat lopulta johtaa oikosulkuihin tai jopa räjähdyksiin.

Teorian mukaan kilpailu litiumionien massansiirtonopeuden ja pelkistysnopeuden välillä katodin pinnan lähellä johtaa dendriittien kasvuun. Kun ionien pelkistysnopeus on paljon nopeampi kuin massansiirto, se synnyttää katodin lähellä neutraalin raon, jota kutsutaan avaruusvarautuneeksi kerrokseksi, joka ei sisällä ioneja. Tämän kerroksen epävakauden uskotaan johtavan dendriittien kasvuun, joten sen vähentäminen tai poistaminen voi vähentää dendriittien kasvua ja pidentää siten akun käyttöikää.

Wanin ideana on antaa ionien saada takaisin varaus ja poistaa tämä aukko katodin läpi kulkevan mikrofluidikanavan kautta. Työryhmä esitteli todisteensa konseptitestauksesta ja havaitsi, että tämä ionivirtaus voi vähentää dendriitin kasvua jopa 99%.

Wanille tämä tutkimus on jännittävä, koska se osoittaa mikrofluidisten sovellusten tehokkuuden akkuihin liittyvissä ongelmissa ja tasoittaa tietä tulevalle tutkimukselle tällä alalla.

"Tämän perustutkimuksen ja mikrofluidisten menetelmien avulla voimme kvantitatiivisesti ymmärtää virtauksen vaikutusta dendriittien kasvuun", hän sanoi. "Monet ryhmät eivät ole vielä tehneet tutkimusta tästä."

Vaikka on epätodennäköistä, että mikrofluidiikkaa integroidaan suoraan todelliseen akkuun, Wanin tiimi etsii vaihtoehtoisia menetelmiä tämän tutkimuksen perusperiaatteiden soveltamiseksi ottamalla käyttöön paikallisvirtaus lähellä katodin pintaa kationien kompensoimiseksi ja tilavarauskerroksen poistamiseksi.

Hän sanoi: "Olemme iloisia voidessamme tutkia tämän tutkimuksen uusia sovelluksia." "Olemme alkaneet suunnitella katodipintoja konvektion käyttöönottamiseksi."