Висока ефективність літій-повітряних батарей завдяки новому електроліту

Вчені з Великобританії повідомили про прорив в області літій-кисневих батарей, досягнутому завдяки експериментам з різними складами електролітів. Працюючи з іонними рідинами, вони змогли змінити рецепт електроліту, щоб звести до мінімуму небажані реакції під час циклирования батареї, а також значно поліпшити продуктивність і стабільність їх роботи.

Це звичайна історія в світі досліджень в області акумуляторів – нові матеріали і конструкції, що обіцяють набагато вищу продуктивність, стикаються з проблемами і обмеженнями в плані реалізації свого потенціалу в практичних пристроях і демонстрації довгострокової стабільності.

І це особливо вірно для батарей, що включають літій або інші анодні матеріали з перехідних металів, які, як правило, швидко втрачають продуктивність через утворення дендритів – гіллястих структур, які проростають в електроліт і навіть на катодний бік, викликаючи коротке замикання. В даний час твердотільні батареї представляються найбільш перспективним комерційним шляхом вирішення цієї проблеми, проте увагу дослідників привернули і деякі інші підходи, в тому числі літій-кисневі батареї.

Група вчених під керівництвом університету Ліверпуля Великобританії (UoL) виявила, що ретельний контроль складу електроліту може ефективно “відключити” реактивність певних компонентів і мінімізувати появу небажаних побічних реакцій, які відбуваються під час циклирования акумулятора, включаючи зростання дендритів.
{{ 1}} “Можливість точно сформулювати склад електроліту, використовуючи легкодоступні компоненти з низькою летючістю, дозволила нам спеціально розробити електроліт для потреб технології металловоздушних АКБ, що значно поліпшило стабільність циклу заряду розряду і його ефективність”, – пояснив науковий співробітник UoL Алекс Ніл. “Результати нашого дослідження дійсно показують, що, розуміючи точну координаційну середу літій-іона в наших електролітах, ми можемо безпосередньо зв’язати це з досягненням значного підвищення стабільності електроліту на межі розділу Li метал-електрод і, отже, поліпшенням фактичної продуктивності осередків”.

Вся справа в електроліті

Група працювала з різними складами з розчинника, солі і іонної рідини і виявила, що додавання іонної рідини дозволило добитися набагато кращих результатів по стабільності. “Було цікаво побачити, що за допомогою розрахунків і експериментальних даних ми змогли визначити ключові фізичні параметри, які дозволили формулами стати стабільними на кордоні розділу літій-метал-електрод”, – говорить Пуджа Годдард з Університету Лафборо, яка брала участь в дослідженні.

Їх оптимізовані розчини електролітів повністю описані в статті Design Parameters for Ionic Liquid-Molecular Solvent Blend Electrolytes to Enable Stable Li Metal Cycling Within Li-O2 Batteries, опублікованій в журналі Advanced Functional Materials. Оптимізація дозволила їм продемонструвати елементи батареї з 94% кулоновской ефективністю, а також більше 900 годин циклирования без зменшення потенціалу. “Ця робота являє приклад корисної стратегії розробки електроліту для літій-повітряних акумуляторів, підкріпленої відмінною науковою базою в рамках прекрасного співробітництва”, – додав Енріко Петрукко з Johnson Matthey PLC – лондонській хімічної компанії, яка співпрацювала з UoL в цьому дослідженні. “Це ще на один крок наближає нас до практичних шляхів подолання складних проблем літій-повітряних батарей”.

Група стверджує, що електроліти можуть бути ще більш удосконалені шляхом спеціального підбору солей літію і іонних рідин для досягнення більш низької в’язкості, а також варто вивчити можливість обережного введення четвертого елемента – нерастворяющуюся розріджує добавки – в суміш електролітів.