Литий-металлические батареи представляют собой многообещающий вариант для следующего поколения высокоэнергетических батарей благодаря их способности хранить как минимум вдвое больше энергии на единицу объема, чем распространенные в настоящее время литий-ионные батареи. Это могло бы, например, позволить электромобилю проезжать вдвое большее расстояние на одном заряде или снизить частоту зарядки смартфона.
Однако современное использование растворителей и фторированных солей в жидких электролитах создает серьезные экологические проблемы. Если бы фтор не добавлялся, батареи были бы нестабильными, переставали бы работать после нескольких циклов зарядки и были бы склонны к коротким замыканиям, перегреву и возгоранию.
Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа под руководством Марии Лукацкой из ETH Zurich разработала новый метод, позволяющий значительно снизить количество фтора, необходимого в литий-металлических батареях, что делает их более экологически чистыми, стабильными и экономически эффективными.
Соединения фтора, присутствующие в электролите, необходимы для создания защитного слоя вокруг металлического лития на отрицательном электроде батареи. Этот защитный слой действует как эмаль на зубе, предотвращая реакцию металлического лития с компонентами электролита.
Без этой защиты электролит быстро истощался бы во время езды на велосипеде, что приводило бы к выходу из строя элемента и образованию опасных усов металлического лития, называемых «дендритами», во время перезарядки.
Эти дендриты могут вызвать короткое замыкание и даже создать риск возгорания батареи, если они коснутся положительного электрода. Поэтому важно иметь возможность контролировать свойства этого защитного слоя, чтобы максимизировать производительность батареи. Стабильный защитный слой повышает эффективность батареи, повышает безопасность и продлевает срок службы батареи.
«Вопрос заключался в том, как уменьшить количество добавляемого фторида, не ставя под угрозу стабильность защитного слоя», сказал докторант Натан Хонг.
Новый метод группы использует электростатическое притяжение для достижения желаемой реакции. Электрически заряженные фторированные молекулы действуют как средство транспортировки фтора к защитному слою. Для этого требуется всего 0,1 мас.% фтора в жидком электролите, что как минимум в 20 раз меньше, чем в предыдущих исследованиях.
Найти идеальную молекулу, которая могла бы связать фтор и позволить ему разлагаться в определенных условиях рядом с литием, представляло собой серьезную проблему. Исследовательская группа выделяет одно из главных преимуществ этого подхода: бесшовную интеграцию в существующие процессы производства аккумуляторов без дополнительных затрат на изменение производственной схемы. Батарейки, протестированные в лаборатории, были размером с монету.
Далее исследователи хотят оценить масштабируемость метода и его применение к карманным элементам, обычно встречающимся в смартфонах.
Ссылка на журнал:
- Хонг К.Н., Ян М., Бородин О., Поллард Т.П., Ву Л., Райтер М., Гомес Васкес Д., Трапп К., Ю Дж.М., Шпигель Н., Фельдблюм Дж.И., Лукацкая М.Р.: Прочные межфазные батареи из разбавленных фторированных катионов. Энергетика и экология, 2024 г.; ДОИ: 10.1039/D4EE00296B
