Высокая эффективность литий-воздушных батарей благодаря новому электролиту
Ученые из Великобритании сообщили о прорыве в области литий-кислородных АКБ, достигнутом благодаря экспериментам с различными составами электролитов. Работая с ионными жидкостями, они смогли изменить рецепт электролита, чтобы свести к минимуму нежелательные реакции во время циклирования АКБ, а также значительно улучшить производительность и стабильность их работы.
Это обычная история в мире исследований в области аккумуляторов — новые материалы и конструкции, обещающие гораздо более высокую производительность, сталкиваются с проблемами и ограничениями в плане реализации своего потенциала в практических устройствах и демонстрации долгосрочной стабильности.
И это особенно верно для АКБ, включающих литий или другие анодные материалы из переходных металлов, которые, как правило, быстро теряют производительность из-за образования дендритов — ветвистых структур, которые прорастают в электролит и даже на катодную сторону, вызывая короткое замыкание. В настоящее время твердотельные аккумуляторы представляются наиболее перспективным коммерческим путем решения этой проблемы, однако внимание исследователей привлекли и некоторые другие подходы, в том числе литий-кислородные АКБ.
Группа ученых под руководством Ливерпульского университета Великобритании (UoL) обнаружила, что тщательный контроль состава электролита может эффективно «отключить» реактивность определенных компонентов и минимизировать появление нежелательных побочных реакций, которые происходят во время циклирования аккумулятора, включая рост дендритов.
«Возможность точно сформулировать состав электролита, используя легкодоступные компоненты с низкой летучестью, позволила нам специально разработать электролит для нужд технологии металловоздушных АКБ, что значительно улучшило стабильность цикла заряда разряда и его эффективность», — пояснил научный сотрудник UoL Алекс Нил. «Результаты нашего исследования действительно показывают, что, понимая точную координационную среду литий-иона в наших электролитах, мы можем напрямую связать это с достижением значительного повышения стабильности электролита на границе раздела Li металл-электрод и, следовательно, улучшением фактической производительности ячеек».
Все дело в электролите
Группа работала с различными составами из растворителя, соли и ионной жидкости и обнаружила, что добавление ионной жидкости позволило добиться гораздо лучших результатов по стабильности. «Было интересно увидеть, что с помощью расчетов и экспериментальных данных мы смогли определить ключевые физические параметры, которые позволили формулам стать стабильными на границе раздела литий-металл-электрод», — говорит Пуджа Годдард из Университета Лафборо, которая участвовала в исследовании.
Их оптимизированные растворы электролитов полностью описаны в статье Design Parameters for Ionic Liquid-Molecular Solvent Blend Electrolytes to Enable Stable Li Metal Cycling Within Li-O2 Batteries, опубликованной в журнале Advanced Functional Materials. Оптимизация позволила им продемонстрировать элементы батареи с 94% кулоновской эффективностью, а также более 900 часов циклирования без уменьшения потенциала. «Эта работа является примером полезной стратегии разработки электролита для литий-воздушных аккумуляторов, подкрепленной отличной научной базой в рамках прекрасного сотрудничества», — добавил Энрико Петрукко из Johnson Matthey PLC — лондонской химической компании, которая сотрудничала с UoL в этом исследовании. «Это еще на один шаг приближает нас к практическим путям преодоления сложных проблем литий-воздушных батарей».
Группа утверждает, что электролиты могут быть еще более усовершенствованы путем специального подбора солей лития и ионных жидкостей для достижения более низкой вязкости, а также стоит изучить возможность осторожного введения четвертого элемента — нерастворяющей разжижающей добавки — в смесь электролитов.