Литий-металлические батареи представляют собой многообещающий вариант для следующего поколения высокоэнергетических батарей из-за их способности хранить как минимум вдвое больше энергии на единицу объема по сравнению с распространенными в настоящее время литий-ионными батареями. Например, это может позволить электромобилю проезжать вдвое большее расстояние на одной зарядке или сократить частоту подзарядки смартфона.
Однако текущее использование фторированных растворителей и солей в жидком электролите создает значительные экологические проблемы. Если бы фтор не добавлялся, батареи были бы нестабильны, перестали бы работать после нескольких циклов зарядки и были бы склонны к коротким замыканиям, перегреву и возгоранию.
Для решения этой проблемы исследовательская группа под руководством Марии Лукацкой из Швейцарской высшей технической школы Цюриха разработала новый метод, позволяющий значительно сократить количество фтора, необходимого в литий-металлических батареях, что делает их более экологичными, стабильными и экономически эффективными.
Фторированные соединения в электролите имеют решающее значение для создания защитного слоя вокруг металлического лития на отрицательном электроде батареи. Этот защитный слой действует как эмаль на зубе, защищая металлический литий от реакции с компонентами электролита.
Без этой защиты электролит быстро истощался бы во время циклирования, что приводило бы к выходу элемента из строя и образованию опасных литий-металлических усов, известных как «дендриты», во время перезарядки.
Эти дендриты могут вызывать короткие замыкания и даже представлять опасность возгорания батареи, если они касаются положительного электрода. Поэтому возможность контролировать свойства этого защитного слоя имеет первостепенное значение для максимизации производительности батареи. Стабильный защитный слой повышает эффективность батареи, улучшает безопасность и продлевает срок ее службы.
«Вопрос заключался в том, как уменьшить количество добавляемого фтора, не снижая при этом стабильности защитного слоя», говорит докторант Натан Хонг.
Новый метод группы использует электростатическое притяжение для достижения желаемой реакции. Электрически заряженные фторированные молекулы действуют как транспортное средство для транспортировки фтора в защитный слой. Для этого требуется всего 0,1% по весу фтора в жидком электролите, что по крайней мере в 20 раз меньше, чем в предыдущих исследованиях.
Поиск идеальной молекулы для присоединения фтора и разложения ее в определенных условиях вблизи лития представлял собой серьезную проблему. Исследовательская группа подчеркивает важное преимущество этого подхода: бесшовная интеграция в существующие процессы производства аккумуляторов без дополнительных затрат на изменение производственной установки. Прошедшие лабораторные испытания аккумуляторы были размером с монету.
Далее исследователи намерены оценить масштабируемость метода и его применение к карманным аккумуляторам, которые обычно используются в смартфонах.
Ссылка на журнал:
- Hong CN, Yan M, Borodin O, Pollard TP, Wu L, Reiter M, Gomez Vazquez D, Trapp K, Yoo JM, Shpigel N, Feldblyum JI, Lukatskaya MR: Прочные аккумуляторные интерфазы из разбавленных фторированных катионов. Энергетика и наука об окружающей среде, 2024; DOI: 10.1039/D4EE00296B
