Новый дизайн электролита увеличивает время работы литий-металлических батарей при минимизации содержания фтора.

Новый тип электролита для литий-металлических аккумуляторов может существенно улучшить запас хода электромобилей. Исследователи из ETH Zurich радикально сократили количество экологически вредного фторида, необходимого для стабилизации этих батарей.

Литий-металлические батареи являются одними из наиболее многообещающих кандидатов на роль высокоэнергетических батарей следующего поколения. Они могут хранить как минимум вдвое больше энергии на единицу объема, чем широко используемые сегодня литий-ионные батареи. Это означает, например, что электромобиль сможет проезжать вдвое большее расстояние на одном заряде или что смартфон придется заряжать не так часто.

В настоящее время у литий-металлических аккумуляторов все еще есть 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 нестабильными, переставали работать после нескольких 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 ETH Zurich, разработала новый метод, который значительно снижает количество фтора, необходимого в литий-металлических батареях, делая их более экологически чистыми, более стабильными и более прибыльными.

Работа опубликовано в газете Энергетика и экологические наукиПодана заявка на патент.

Стабильный защитный слой повышает безопасность и эффективность аккумулятора.

Соединения фтора в электролите способствуют образованию защитного слоя вокруг металлического лития на отрицательном электроде аккумулятора.

«Этот защитный слой можно сравнить с зубной эмалью», — объясняет Лукацкая. «Он защищает металлический литий от продолжения реакции с компонентами электролита. »

Без него электролит быстро истощался бы во время цикла, элемент вышел бы из строя, а отсутствие стабильного слоя привело бы к образованию усов металлического лития («дендритов») во время процесса зарядки вместо «соответствующего плоского слоя».

Если эти дендриты коснутся положительного электрода, это приведет к короткому замыканию с риском нагрева батареи до точки возгорания. Поэтому возможность контролировать свойства этого защитного слоя имеет решающее значение для производительности батареи. Стабильный защитный слой повышает эффективность, безопасность и срок службы батареи.

Минимизируйте содержание фтора

«Вопрос заключался в том, как уменьшить количество добавляемого фторида, не ставя под угрозу стабильность защитного слоя», — объясняет докторант Натан Хонг. Новый метод группы использует электростатическое притяжение для достижения желаемой реакции. Здесь электрически заряженные фторированные молекулы служат транспортным средством для транспортировки фтора к защитному слою.

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

Оптимизированный метод делает батареи более экологичными

Одной из самых больших проблем был поиск правильной молекулы, к которой можно было бы присоединить фтор и которая снова разложилась бы при правильных условиях, как только достигнет металлического лития.

Как поясняет группа, одним из основных преимуществ этого метода является то, что его можно легко интегрировать в существующий процесс производства аккумуляторов без дополнительных затрат на изменение производственной схемы.

Батарейки, использованные в лаборатории, были размером с монету. В качестве следующего шага исследователи планируют проверить масштабируемость метода и применить его к карманным элементам, используемым в смартфонах.