Изследователи от Университета за наука и технологии в Хонконг разработиха нов материал, който може да реши един от най-големите проблеми при литиево-металните батерии. Екипът създаде монокристална 3D ковалентна органична структура на базата на борат (COF-303), която функционира като твърдотелен електролит, подобрявайки както безопасността, така и производителността.

Литиево-металните батерии се считат за следващата стъпка след настоящите литиево-йонни батерии, особено за електрически превозни средства и съхранение на енергия в голям мащаб. Те обаче се сблъскват с проблеми, свързани с безопасността, главно поради образуването на литиеви дендрити, които водят до деградация и къси съединения. Ковалентните органични структури са проучвани като потенциални електролитни материали поради порестите си и стабилни структури.

Повечето съществуващи версии обаче са поликристални, което създава съпротивление по границите на зърната и ограничава ефективността, с която йоните могат да се движат през материала. За да преодолеят този проблем, екипът използва COF-303 като шаблон за изграждане на монокристална структура с високо подредени йонни канали. Този дизайн намалява съпротивлението между зърната и позволява по-равномерно отлагане на литий, което спомага за потискане на образуването на дендрити.

Подредените йонни пътища на материала също позволяват по-постоянен йонов поток през електролита, което намалява горещите точки и неравномерните реакции. Това би могло да помогне за подобряване на живота на батерията в реални условия, където повтарящите се цикли на зареждане често водят до загуба на производителност и рискове за безопасността.

Преодоляване на бариерата за растеж на дендритите

Новият материал осигурява висока електрохимична производителност по няколко ключови показателя. Той постига йонна проводимост от 8,1 mS cm−1 при стайна температура и коефициент на пренос на Li+ от 0,98, което позволява бърз и селективен транспорт на йони в батерията.

Системата показва и подобрена стабилност. Тестовете демонстрираха стабилно отлагане и отстраняване на литий за повече от 2000 часа в симетрични клетки, което показва дългосрочна експлоатационна надеждност и намалени рискове за безопасността.

При конфигурации с клетки, използващи LiFePO4 катоди, батериите запазиха 91,8% от капацитета си след 600 цикъла, при кулонова ефективност от 99,98%.

Клетките показаха начален капацитет от 147 mAh g−1, което сочи към стабилна производителност при продължителна употреба.

Работата подчертава как структурният контрол на ниво материал може да окаже пряко влияние върху работата на батериите. Чрез елиминиране на безредието, наблюдавано в поликристалните структури, изследователите успяха да подобрят както ефективността, така и безопасността в литиево-металните системи.

Ако бъде успешно мащабиран, този подход може да помогне за преодоляване на дългогодишните ограничения в проектирането на батерии, особено в приложения, които изискват както висока енергийна плътност, така и дългосрочна стабилност. Това включва електрическите превозни средства, съхранението на енергия в електропреносната мрежа и други енергоемки системи, при които безопасността остава от критично значение.