Новый электролит повысит производительность аккумуляторов

19:25, 23/06
- Валентин Устинов -
просмотров: 203

Новый электролит на основе лития, изобретенный учеными Стэнфордского университета, может стать будущим для следующего поколения электромобилей на аккумуляторных батареях.

Исследователи из Стэнфордского университета недавно продемонстрировали новый вид электролита, используемый в литий-металлических батареях, способный повысить их производительность, что является перспективной технологией в автомобилестроении, а также в производстве ноутбуков и других устройств.

«Большинство электромобилей работают на литий-ионных батареях, которые быстро приближаются к своему теоретическому пределу плотности энергии», – рассказывает соавтор исследования Йи Цуй, профессор материаловедения и инженерии в Национальной ускорительной лаборатории SLAC. «Наше исследование было сосредоточено на литий-металлических батареях, которые легче литий-ионных батарей и потенциально могут содержать больше энергии на единицу веса и объема».

Литий-ионные аккумуляторы, используемые во всем, от смартфонов до электромобилей, имеют два электрода – положительно заряженный катод, содержащий литий, и отрицательно заряженный анод, обычно сделанный из графита. Раствор электролита позволяет ионам лития перемещаться между анодом и катодом, когда батарея используется и когда она заряжается.

Литий-металлическая батарея может содержать примерно вдвое больше электроэнергии на килограмм, чем обычная литий-ионная батарея. В них, графитовый анод заменен на металлический литий, который накапливает значительно больше энергии.

«Литий-металлические батареи очень перспективны для электромобилей, где вес и объем являются большой проблемой», – говорит соавтор исследования Чжэнан Бао. «Но во время работы анод металлического лития реагирует с жидким электролитом. Это вызывает рост микроструктур лития на поверхности анода, называемых дендритами, которые могут вызвать возгорание и выход из строя батареи».

Исследователи потратили десятилетия, пытаясь решить проблему дендритов. Электролит стал ахиллесовой пятой литий-металлических батарей и здесь ученые использовали органическую химию для создания новых стабильных электролитов.
В ходе экспериментов пытались решить проблемы стабильности с обычным коммерчески доступным жидким электролитом. В одном из исследований, ученые добавили атом фтора в молекулу электролита, что сделало жидкость более устойчивой. Фтор является широко используемым элементом в электролитах в литиевых батареях и ученые использовали его способность притягивать электроны для создания новой молекулы, которая позволяет аноду металлического лития хорошо функционировать в электролите.

В результате получилось новое синтетическое соединение, сокращенно FDMB, которое можно легко получить.

«Конструкции электролитов становятся очень экзотическими», – рассказывает один из исследователей. «Некоторые из них показали хорошие перспективы, но очень дороги в производстве. Молекула FDMB легко и дешево производится в большом количестве».

Испытания нового электролита в литий-металлической батарее дали впечатляющие результаты. Экспериментальная батарея сохранила 90 процентов своего первоначального заряда после 420 циклов зарядки и разрядки. В лабораториях типичные литий-металлические батареи перестают работать примерно через 30 циклов.

Исследователи также измерили, насколько эффективно ионы лития переносятся между анодом и катодом во время зарядки и разрядки, свойство, известное как «кулоновская эффективность».

«Если вы зарядите 1000 ионов лития, сколько вы получите после разряда?» – рассказывает профессор Цуй. «В идеале вы хотите, чтобы 1000 из 1000 имели кулоновскую эффективность, то есть 100%. Чтобы быть коммерчески жизнеспособным, элементу батареи требуется кулоновская эффективность не менее 99,9%. В нашем исследовании мы получили 99,52% в половинных элементах и 99,98% в полных, что является невероятной производительностью».

Для потенциального использования в бытовой электронике, группа ученых также проверила электролит FDMB в анодных литиевых металлических ячейках – коммерчески доступных батареях с катодами, которые подают литий к аноду.

«Идея состоит в том, чтобы использовать только литий на катодной стороне в целях снижения веса», – рассказывает соавтор Хансен Ван, аспирант в области материаловедения и инженерии. «Анодная батарея проработала 100 циклов, прежде чем ее емкость упала до 80 процентов – не так хорошо, как эквивалентная литий-ионная батарея, которая может работать от 500 до 1000 циклов, но все же является одним из самых эффективных элементов без анода».

«Эти результаты показывают перспективу для широкого спектра устройств», – добавил Бао. «Легкие, не содержащие анода батареи станут привлекательной особенностью беспилотных летательных аппаратов и многих других устройств бытовой электроники».

Министерство энергетики США (DOE) финансирует крупный исследовательский консорциум Battery500 для обеспечения вывода на массовый рынок литий-металлических батарей, что позволит производителям автомобилей создавать более легкие электромобили, способные преодолевать гораздо большие расстояния.

Усовершенствовав аноды, электролиты и другие компоненты, Battery500 стремится почти утроить количество электроэнергии, которую может доставить литий-металлическая батарея, с примерно 180 до 500 Вт/ч. Более высокое отношение энергии к весу, или «удельная энергия», является ключом к решению проблем, которые часто испытывают потенциальные покупатели электромобилей.

«Батарея без анода в нашей лаборатории достигла примерно 325 Вт на килограмм удельной энергии, что является достойным показателем», – сказал Цуй. «Нашим следующим шагом может стать совместная работа с другими исследователями из Battery500 для создания элементов, которые намерены достичь цели консорциума – 500 ватт-часов на килограмм».

В дополнение к более длительному сроку службы и лучшей стабильности, электролит FDMB также гораздо менее огнеопасен, чем обычные электролиты.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Информационно- новостной портал