Il-kristalli likwidi bħala elettroliti f'batteriji tal-jone tal-litju jagħmluha possibbli li jinħolqu ċelloli stabbli tal-metall tal-litju?

Интересное исследование Университета Карнеги-Меллона. Ученые предложили использовать жидкие кристаллы в литий-ионных элементах для увеличения их плотности энергии, стабильности и зарядной способности. Работы еще не продвинуты, поэтому мы будем ждать их выполнения минимум пять лет – если это вообще возможно.

Жидкие кристаллы произвели революцию в дисплеях, теперь они могут помочь батареям

Tabella tal-kontenut

• Жидкие кристаллы произвели революцию в дисплеях, теперь они могут помочь батареям
  • Жидкие кристаллы как уловка для получения жидко-твердого электролита

Вкратце: производители литий-ионных элементов в настоящее время стремятся увеличить плотность энергии в элементах, сохраняя или улучшая их параметры, включая, например, повышение стабильности при более высоких зарядных мощностях. Идея состоит в том, чтобы батареи были легче, безопаснее и быстрее перезаряжались. Немного похоже на треугольник быстро-дешево-хорошее.

Одним из способов значительного увеличения удельной энергии ячеек (в 1,5-3 раза) является использование анодов из металлического лития (Li-metal).. Не из углерода или кремния, как раньше, а из лития, элемента, который напрямую отвечает за емкость элемента. Проблема в том, что при таком расположении быстро развиваются дендриты лития, металлические выступы, которые со временем соединяют два электрода, повреждая их.

Жидкие кристаллы как уловка для получения жидко-твердого электролита

В настоящее время ведутся работы по упаковке анодов в различные материалы, чтобы сформировать внешнюю оболочку, которая позволяет потоку ионов лития, но не позволяет твердым структурам расти. Потенциальным решением проблемы также является использование твердого электролита – стенки, сквозь которую дендриты не могут проникнуть.

Ученые из Университета Карнеги-Меллона использовали другой подход: они хотят остаться с проверенными жидкими электролитами, но на основе жидких кристаллов. Жидкие кристаллы – это структуры, которые находятся на полпути между жидкостью и кристаллами, то есть твердые тела с упорядоченной структурой. Жидкие кристаллы жидкие, но их молекулы сильно упорядочены (источник).

На молекулярном уровне структура жидкокристаллического электролита представляет собой просто кристаллическую структуру и, таким образом, блокирует рост дендритов. Однако мы все еще имеем дело с жидкостью, то есть с фазой, которая позволяет ионам течь между электродами. Рост дендритов заблокирован, нагрузки должны течь.

В исследовании об этом не упоминается, но у жидких кристаллов есть еще одна важная особенность: после приложения к ним напряжения они могут располагаться в определенном порядке (как вы можете видеть, например, посмотрев на эти слова и границу между черными буквами и светлый фон). Так что может случиться так, что когда начинается зарядка ячейки, молекулы жидких кристаллов будут располагаться под другим углом и «соскребать» дендритные осадки с электродов.

Визуально это будет напоминать закрытие створок, скажем, в вентиляционном отверстии.

Обратной стороной ситуации является то, что Университет Карнеги-Меллона только начал исследования новых электролитов. Уже известно, что их стабильность ниже, чем у обычных жидких электролитов. Деградация клеток происходит быстрее, и это не то направление, которое нас интересует. Однако не исключено, что со временем проблема будет решена. Тем более, что мы не ожидаем появления твердотельных соединений раньше второй половины десятилетия:

> LG Chem juża sulfidi f'ċelluli fi stat solidu. Il-kummerċjalizzazzjoni ta 'elettrolit solidu mhux qabel l-2028.

Вступительное фото: процесс образования дендритов лития на электроде микроскопической литий-ионной ячейки. Большая темная фигура сверху – второй электрод. Первоначальный «пузырь» из атомов лития в какой-то момент взлетает вверх, создавая «усы», которые являются основой формирующегося дендрита (c) PNNL Unplugged / YouTube:

Dan jista' jinteressak: