Новый электролит увеличивает мощность литий-воздушных батарей

Ученые из Великобритании сообщили о прорыве в разработке литий-кислородных батарей, достигнутом путем экспериментов с различным составом электролита. Работая с ионными жидкостями, они смогли настроить рецепт электролита, чтобы свести к минимуму нежелательные реакции при циклическом переключении батарей и значительно улучшить как производительность, так и стабильность.

Это обычная история в мире исследования аккумуляторов — новые материалы и конструкции, которые обещают гораздо более высокую производительность, сталкиваются с проблемами и ограничениями с точки зрения реализации своего потенциала в практическом устройстве и демонстрации долгосрочной стабильности.

И это особенно справедливо для аккумуляторов, в состав которых входят анодные материалы из лития или других переходных металлов. Они имеют тенденцию быстро терять характеристики из-за образования дендритов — ветвистых структур, которые врастают в электролит и даже попадают на сторону катода, вызывая короткое замыкание. Твердотельные батареи в настоящее время кажутся наиболее многообещающим коммерческим способом решения этой проблемы, однако внимание исследователей привлекли и несколько других подходов, в том числе литий-кислородные батареи.

Группа ученых во главе с Ливерпульским университетом Великобритании (UoL) обнаружила, что тщательный контроль состава электролита может эффективно «выключить» реактивность определенных компонентов и минимизировать появление нежелательных побочных реакций, которые происходят во время цикла батареи, в том числе рост дендритов.

«Возможность точно составить состав электролита с использованием легкодоступных компонентов с низкой летучестью позволила нам специально адаптировать электролит для нужд технологии металл-воздушной батареи, которая значительно улучшила стабильность цикла и функциональность», — 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 металлического лития и электрода и, как следствие, улучшения в реальной ячейке."

Группа работала с различными рецептурами растворителя, соли и ионной жидкости и обнаружила, что добавление ионной жидкости позволяет им достичь гораздо лучших результатов стабильности. «Было интересно увидеть, как с помощью расчетов и экспериментальных данных мы смогли определить ключевые физические параметры, которые позволили составам стать стабильными по отношению к поверхности раздела металлического литиевого электрода», — сказал Пуджа Годдард из Университета Лафборо, который сотрудничал в исследовать.

Их оптимизированные растворы электролитов полностью описаны в статье «Параметры конструкции для электролитов из смеси ионных жидкостей и молекулярных растворителей для обеспечения стабильного циклирования Li-металла в Li-O 2- батареях», опубликованной в Advanced Functional Materials. Оптимизация позволила им продемонстрировать аккумуляторные элементы с кулоновской эффективностью 94%, а также более 900 часов работы на велосипеде без увеличения перенапряжения.

Группа заявляет, что электролиты можно было бы еще больше улучшить за счет специальной адаптации солей лития и ионных жидкостей для достижения более низкой вязкости. И что осторожное введение четвертого элемента (не сольватирующей разжижающей добавки) в смесь электролитов также будет того стоить.