Китайским исследователям удалось устранить давние кинетические ограничения электролитов для литий-ионных батарей. Они разработали и синтезировали серию инновационных электролитных систем на основе фторированных углеводородных растворителей, что позволило достичь удельной энергоемкости литий-ионных аккумуляторов в 700 Вт·ч/кг.
Эта работа стала результатом совместных усилий научных групп под руководством профессора Чжао Цин из Колледжа химии Нанкайского университета, академика Чэнь Цзюня, исполнительного вице-президента Нанкайского университета, и исследователя Ли Юна из Шанхайского института космических источников питания. Результаты исследования были опубликованы онлайн в престижном международном журнале Nature 25 февраля.
Как сообщает агентство Синьхуа, типичные коммерческие электролиты для литий-ионных батарей состоят из солей лития и растворителей на основе карбонатных эфиров. В таких системах ионно-дипольное взаимодействие между литием и атомом кислорода в карбонатном эфире способствует растворению солей лития. Однако эти растворители обладают плохой смачиваемостью и требуют больших объемов, что существенно затрудняет дальнейшее повышение удельной энергоемкости аккумуляторов. Кроме того, сильные взаимодействия между ионами и растворителем препятствуют переносу заряда на границах раздела, ограничивая низкотемпературные характеристики — как правило, работоспособность батарей снижается при температурах ниже -50°C.
Для преодоления этих ограничений исследовательская группа разработала и синтезировала ряд новых молекул фторированных углеводородных растворителей. Это позволило добиться эффективного растворения солей лития в электролите, успешно заменив традиционный механизм координации литий-кислород. По сравнению с традиционными электролитными системами с координацией по кислороду, фторированные углеводородные растворители демонстрируют превосходную смачиваемость и высокую эффективность использования, что значительно снижает требуемое количество самого электролита. Более того, ослабленная координационная связь литий-фтор обеспечивает быстрый перенос заряда даже при низких температурах.
С применением этой новой электролитной системы команда создала литий-ионные аккумуляторы с экстремально высокой удельной энергией 700 Вт·ч/кг при комнатной температуре. Эти батареи сохраняют внушительную удельную энергоемкость, приближающуюся к 400 Вт·ч/кг, даже в условиях экстремального холода до -50°C.
Чжао Цин пояснил, что ключ к достижению растворения солей лития посредством координации с фтором заключается в регулировании электронной плотности атомов фтора и пространственных особенностей молекул растворителя. Литий-ионные батареи, использующие данный электролит, будут обладать такими преимуществами, как высокая удельная энергия и стабильная работа при низких температурах.
«Высокоэнергетические аккумуляторы на базе этого электролита открывают широкие перспективы применения в новых энергетических транспортных средствах, интеллектуальных роботах, низковысотной экономике, а также в регионах с суровым климатом и в аэрокосмической отрасли», — подчеркнул Чэнь Цзюнь.
Комментарий редакции
На сегодняшний день батарея Qilin от CATL, представляющая собой тройной литий-ионный аккумулятор, обладает системной удельной энергоемкостью от 250 до 255 Вт·ч/кг. Этот показатель считается актуальным пределом для существующих литий-ионных батарей.
Хотя удельная энергоемкость в 700 Вт·ч/кг может относиться исключительно к ячейке, это все равно приведет к значительному увеличению общей энергоемкости системы. Стоит отметить, что даже твердотельные батареи, находящиеся в разработке, пока не превышают 400 Вт·ч/кг. Можно с уверенностью сказать, что данное исследование выводит удельную энергоемкость традиционных литий-ионных аккумуляторов на уровень современных твердотельных технологий.
Если новейшие достижения китайских ученых будут оперативно внедрены, это может привести к дальнейшему повышению удельной энергоемкости литий-ионных батарей, не основанных на твердотельных электролитах.
