Новый электролит, содержащий фтор, прокладывает путь к созданию высокоэффективных аккумуляторов с длительным сроком службы.
Многие зубные пасты содержат фторид натрия, соединение фтора, для защиты зубов от кариеса. Однако соединения, содержащие фтор, находят дополнительное неожиданное применение. Исследователи из Министерства энергетики США обнаружили фторидный электролит, который может защитить будущие аккумуляторы от снижения производительности.
“На горизонте появилось захватывающее новое поколение аккумуляторов для электромобилей, помимо литий-ионных”, – сказал Чжэнчэн (Джон) Чжан, руководитель группы химических наук и инженерии Argonne.
Химический состав нелитий-ионных аккумуляторов обеспечивает запас энергии в два раза и более при заданном объеме или весе по сравнению с литий-ионными. Они смогут приводить автомобили в движение на гораздо больших расстояниях и однажды даже смогут питать дальнобойные грузовики и самолеты. Ожидается, что широкое использование таких аккумуляторов поможет решить проблему изменения климата. Основная проблема заключается в том, что их высокая плотность энергии быстро снижается при многократной зарядке и разрядке.
Один из основных претендентов имеет анод (отрицательный электрод) из металлического лития вместо графита, обычно используемого в литий-ионных аккумуляторах. Поэтому его называют “металлическим литием”. Катод (положительный электрод) представляет собой оксид металла, содержащий никель, марганец и кобальт (NMC). Хотя он обеспечивает более чем вдвое большую плотность энергии, чем литий-ионный аккумулятор, его выдающиеся характеристики быстро сходят на нет 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 электролитом является жидкость, состоящая из литийсодержащей соли, растворенной в растворителе. Проблема короткого срока службы заключается в том, что электролит не образует достаточного защитного слоя на поверхности анода в течение первых нескольких циклов. Этот слой, также называемый межфазным с твердым электролитом (SEI), действует как защитный слой, позволяя ионам лития свободно входить в анод и выходить из него для зарядки и разрядки аккумулятора соответственно.
Команда обнаружила новый растворитель на основе фтора, который сохраняет прочный защитный слой в течение сотен циклов. Он соединяет фторированный компонент, который заряжен положительно (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 на фтор 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”.
Чтобы лучше понять механизм, стоящий за этим различием в атомарном масштабе, команда обратилась к высокопроизводительным вычислительным ресурсам Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), пользовательского центра Министерства энергетики США.
Как объяснил Чжан, моделирование на суперкомпьютере ALCF Theta показало, что катионы фтора прилипают и накапливаются на поверхностях анода и катода перед любым циклом заряда-разряда. Затем, на ранних стадиях езды на велосипеде, образуется эластичный слой SEI, превосходящий тот, который возможен при использовании предыдущих электролитов.
Электронная микроскопия высокого разрешения в Аргонне и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории показала, что высокозащитный слой SEI на аноде и катоде обеспечивает стабильное циклирование.
Команда смогла настроить пропорцию фтористого растворителя к соли лития, чтобы создать слой с оптимальными свойствами, включая не слишком толстую или тонкую толщину SEI. Благодаря этому слою ионы лития могут эффективно входить в электроды и выходить из них во время зарядки и разрядки в течение сотен циклов.
Новый электролит команды предлагает и множество других преимуществ. Он имеет низкую стоимость, поскольку его можно производить с чрезвычайно высокой чистотой и выходом за один простой этап, а не в несколько приемов. Он безвреден для окружающей среды, поскольку в нем используется гораздо меньше растворителя, который является летучим и может выделять загрязняющие вещества в окружающую среду. И он безопасен, поскольку не воспламеняется.
“Литий-металлические аккумуляторы с нашим фторированным катионным электролитом могли бы значительно стимулировать развитие индустрии электромобилей”, – сказал Чжан. “И полезность этого электролита, несомненно, распространяется на другие типы передовых аккумуляторных систем, помимо литий-ионных”.
