Новая конструкция электролита увеличивает срок службы литий-металлических аккумуляторов, одновременно сводя к минимуму содержание фтора

Новая конструкция электролита для литий-металлических аккумуляторов может значительно увеличить запас хода электромобилей. Исследователи из ETH Zurich радикально сократили количество экологически вредного фтора, необходимого для стабилизации этих аккумуляторов.

Литий-металлические аккумуляторы являются одними из самых перспективных кандидатов на следующее поколение высокоэнергетических аккумуляторов. Они могут хранить как минимум в два раза больше энергии на единицу объема, чем литий-ионные аккумуляторы, которые широко используются сегодня. Это будет означать, например, что электромобиль сможет проехать в два раза большее расстояние на одной зарядке или что смартфон не придется заряжать так часто.

В настоящее время литий-металлические батареи по-прежнему имеют один существенный недостаток: жидкий электролит требует добавления значительного количества фторированных растворителей и фторированных солей, что увеличивает его воздействие на окружающую среду.

Однако без добавления фтора литий-металлические батареи были бы нестабильны, они бы перестали работать после очень небольшого количества циклов зарядки и были бы склонны к коротким замыканиям, а также к перегреву и возгоранию.

Исследовательская группа под руководством Марии Лукацкой, профессора электрохимических энергетических систем в Швейцарской высшей технической школе Цюриха, разработала новый метод, который значительно снижает количество фтора, требуемого в литий-металлических аккумуляторах, тем самым делая их более экологически чистыми, более стабильными, а также экономически эффективными.

Работа — это опубликовано в журнале Энергетика и экология. Подана заявка на патент.

Стабильный защитный слой повышает безопасность и эффективность аккумулятора.

Фторированные соединения электролита способствуют образованию защитного слоя вокруг металлического лития на отрицательном электроде батареи.

«Этот защитный слой можно сравнить с эмалью зуба, — поясняет Лукацкая. — Он защищает металлический литий от постоянной реакции с компонентами электролита».

Без него электролит быстро истощался бы во время циклирования, элемент вышел бы из строя, а отсутствие стабильного слоя привело бы к образованию в процессе зарядки усов металлического лития — «дендритов» — вместо конформного плоского слоя.

Если эти дендриты коснутся положительного электрода, это вызовет короткое замыкание с риском того, что батарея нагреется настолько, что воспламенится. Поэтому способность контролировать свойства этого защитного слоя имеет решающее значение для производительности батареи. Стабильный защитный слой повышает эффективность, безопасность и срок службы батареи.

Минимизация содержания фтора

«Вопрос заключался в том, как уменьшить количество добавляемого фтора, не нарушая стабильности защитного слоя», — говорит докторант Натан Хонг. Новый метод группы использует электростатическое притяжение для достижения желаемой реакции. Здесь электрически заряженные фторированные молекулы служат средством для транспортировки фтора в защитный слой.

Это означает, что в жидком электролите требуется всего 0,1% по весу фтора, что как минимум в 20 раз меньше, чем в предыдущих исследованиях.

Оптимизированный метод делает батареи более экологичными

Одной из самых сложных задач было найти правильную молекулу, к которой можно было бы присоединить фтор и которая бы снова разлагалась при правильных условиях, достигнув металлического лития.

Как поясняет группа, ключевым преимуществом этого метода является то, что его можно легко интегрировать в существующий процесс производства аккумуляторов, не создавая дополнительных затрат на изменение производственной схемы.

Батареи, используемые в лаборатории, были размером с монету. На следующем этапе исследователи планируют проверить масштабируемость метода и применить его к карманным элементам, используемым в смартфонах.