Ингредиент зубной пасты может увеличить пробег электромобилей

Химический состав нелитий-ионных аккумуляторов обеспечивает вдвое или более энергии, хранящейся в заданном объеме или весе, по сравнению с литий-ионными. Они могли приводить в действие автомобили на гораздо большие расстояния и даже могли приводить в действие дальнемагистральные грузовики и самолеты в один прекрасный день. Ожидается, что широкое использование таких батарей поможет решить проблему изменения климата. Основная проблема заключается в том, что их высокая плотность энергии быстро снижается при многократном заряде и разряде.

Один из основных претендентов имеет анод (отрицательный электрод) из металлического лития вместо графита, обычно используемого в литий-ионных батареях. Таким образом, его называют «литий-металлической» батареей. Катод (положительный электрод) представляет собой оксид металла, содержащий никель, марганец и кобальт (NMC). Несмотря на то, что он может обеспечить более чем вдвое большую плотность энергии, возможную с литий-ионным аккумулятором, эта выдающаяся производительность быстро исчезает менее чем за сотню циклов зарядки-разрядки.

Решение команды включало замену электролита, жидкости, через которую ионы лития перемещаются между катодом и анодом для осуществления заряда и разряда. В литий-металлических батареях электролит представляет собой жидкость, состоящую из литийсодержащей соли, растворенной в растворителе. Источник проблемы короткого срока службы заключается в том, что электролит не образует адекватного защитного слоя на поверхности анода в течение первых нескольких циклов. Этот слой, также называемый интерфазой твердого электролита (SEI), действует как хранитель, позволяя ионам лития свободно входить и выходить из анода для зарядки и разрядки аккумулятора соответственно.

Конструкция литий-металлической батареи с электролитом, содержащим фторированный катион (атомная структура в центре). Область «интерфейса» представляет собой слой с фтором, который образуется на поверхности анода, а также поверхность катода. Предоставлено: Аргоннская национальная лаборатория.

Команда обнаружила новый фторидный растворитель, который поддерживает надежный защитный слой в течение сотен циклов. Он соединяет фторированный компонент, который положительно заряжен (катион), с другим фторированным компонентом, который заряжен отрицательно (анион). Эту комбинацию ученые называют ионной жидкостью — жидкостью, состоящей из положительных и отрицательных ионов.

«Ключевым отличием нашего нового электролита является замена атомов водорода фтором в кольцеобразной структуре катионной части ионной жидкости», — сказал Чжан. «Это имело решающее значение для поддержания высокой производительности в течение сотен циклов в тестовом литий-металлическом элементе».

Как объяснил Чжан, моделирование на суперкомпьютере ALCF Theta показало, что катионы фтора прилипают к поверхности анода и катода и накапливаются на них перед любым циклом заряда-разряда. Затем, на ранних стадиях цикла, образуется упругий слой SEI, который превосходит то, что возможно с предыдущими электролитами.

Электронная микроскопия высокого разрешения в Аргоннской и Тихоокеанской северо-западной национальных лабораториях показала, что высокозащитный слой SEI на аноде и катоде приводит к стабильной цикличности.

Команда смогла настроить соотношение фторидного растворителя к соли лития, чтобы создать слой с оптимальными свойствами.

Из-за этого слоя ионы лития могут эффективно входить и выходить из электродов во время заряда и разряда в течение сотен циклов.

Новый электролит команды предлагает и множество других преимуществ. Это низкая стоимость, потому что он может быть изготовлен с чрезвычайно высокой чистотой и выходом за один простой шаг, а не за несколько шагов. Он является экологически чистым, потому что в нем используется гораздо меньше растворителя, который летуч и может выделять загрязняющие вещества в окружающую среду. И это безопаснее, потому что он не воспламеняется.

Подробнее: Qian Liu et al, A fluorinated cation introduces new interphasial chemistries to enable high-voltage lithium metal batteries, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38229-7 🔗