סוללות ליתיום-מתכת (LMB), סוג חדשני של סוללות נטענות מבוססות ליתיום העשויות מתכת מצב מוצק במקום יוני ליתיום, הן בין טכנולוגיות הסוללה הנטענות בעלות הצפיפות הגבוהה ביותר באנרגיה גבוהה. למרות שיש להם כמה מאפיינים מועילים, יש לסוללות הללו כמה מגבלות, כולל צפיפות אנרגיה ירודה ובעיות הקשורות לבטיחות.
בשנים האחרונות החוקרים ניסו להתגבר על מגבלות אלה על ידי הצגת עיצוב חלופי ללא סוללות ליתיום. תכנון ללא אנודה זה יכול לסייע בהגברת צפיפות האנרגיה ובטיחותן של סוללות ליתיום-מתכת.
חוקרים במכון הלאומי למדעי התעשייה המתקדמים ו טכנולוגיה לאחרונה ביצע מחקר שמטרתו להגדיל את צפיפות האנרגיה של סוללות ליתיום נטולות אנודה, מציגה סוללת ליתיום חדשה בעלת צפיפות אנרגיה גבוהה ואורך חיים ארוכים המבוססת על שימוש ב-Li2הו סוכן קורבן.
ארכיטקטורות סוללות תאים מלאות ללא אנודות מבוססות בדרך כלל על קתודה מוגבלת לחלוטין עם אספן זרם נחושת אנודה חשוף. למרבה הפלא, ניתן להרחיב את צפיפות האנרגיה הגרביטרלית והנפחית של סוללות ליתיום ללא אנודה עד לגבולן המרבי. לארכיטקטורות תאים ללא אנודות יש כמה יתרונות אחרים על פני עיצובים LMB קונבנציונליים יותר, כולל עלות נמוכה יותר, בטיחות גבוהה יותר והליכי הרכבת תאים פשוטים יותר.
כדי לנצל את מלוא הפוטנציאל של LMB ללא אנודות, על החוקרים להבין תחילה כיצד להשיג את הפיכות / יציבות של ציפוי לי-מתכת. בעוד שרבים ניסו לפתור בעיה זו על ידי הנדסה ובחירת אלקטרוליטים נוחים יותר, מרבית המאמצים הללו לא צלחו עד כה.
אחרים בחנו גם את הפוטנציאל של שימוש במלחים או בתוספים שיכולים לשפר את הפיכות ציפוי / הפשטת הלי-מתכת. לאחר סקירת ניסיונות קודמים אלה, החוקרים במכון הלאומי למדע וטכנולוגיה מתקדמים הציעו את השימוש ב- Li2O כסוכן קורבן, שמועמס מראש על LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 משטח.
"מאתגר להבין מהפך Li גבוה, במיוחד בהתחשב במאגר Li המוגבל (בדרך כלל אפס עודף ליתיום) בתצורת התא", כתבו החוקרים במאמרם. "במחקר זה הצגנו את לי2O כסוכן קורבן טעון מראש ב- LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 קתודה, ומספק מקור Li נוסף כדי לקזז את אובדן הבלתי הפיך של Li במהלך רכיבה ארוכת טווח בתא ללא אנודה ראשונית. "
בנוסף להעסקת לי2O כסוכן הקרבה, החוקרים הציעו להשתמש בתוסף אתר פלואורופרופיל לנטרול O2-, אשר משתחרר במהלך החמצון של Li2O, ומניעת התפתחות נוספת של O גזית2 כתוצאה מהייצור של אלקטרוליט מבוסס LiF המצופה על פני הקתודה של הסוללה.
"אנו מראים שאו2- מינים, משוחררים באמצעות לי2החוקרים הסבירו במאמרם כי חמצון O מנוטרל באופן סינרגטי על ידי תוסף אתר פלואור. "זה מוביל לבנייה של שכבה מבוססת LiF בממשק הקתודה / אלקטרוליט, שמפעילה את משטח הקתודה ומרסנת את הפירוק החמצוני המזיק של ממיסי אתר."
בהתבסס על התכנון שהם תכננו, הצליחו יו צ'יאו ושאר הצוות במכון הלאומי למדע וטכנולוגיה מתקדמים לממש תא שקית 2.46 Ah ללא אנודה ראשונית. תא זה הציג צפיפות אנרגיה גרבימטרית של 320 ק"ג-1, שמירה על קיבולת של 80% לאחר 300 מחזורי פעולה.
בעתיד, הליתיום נטול האנודה סוללה שהוצגה על ידי קבוצת מחקר זו יכולה לעזור להתגבר על כמה מהמגבלות המדווחות של LMBs. בנוסף, העיצוב שלה יכול לעורר יצירה של סוללות נטענות מבוססות ליתיום בטוחות יותר עם צפיפות אנרגיה גבוהה יותר ואורך חיים ארוך יותר.
