Учёные, представляющие Корейский институт передовых технологий (KAIST), разработали инновацию, способную значительно ускорить массовое применение литий-металлических батарей (LMB), которые являются многообещающей заменой традиционным литий-ионным аккумуляторам. В рамках их исследования представлен новый класс электролитов на основе органических солей, который решает основные проблемы LMB: недостаточную стабильность, длительное время зарядки и риск возгорания.
«Для достижения эффективности LMB необходимо наличие электролита, который бы отличался негорючестью и высокой электрохимической стабильностью, — прокомментировали Акито Сакаи, Ёсукэ Мацумото и их соавторы. — Хотя сегодняшние технологии улучшили долговечность таких батарей, создание электролитов, обеспечивающих одновременно высокую скорость зарядки и безопасность, остаётся значительным вызовом».
Литий-металлическим батареям, имеющим потенциал для хранения на 50–70% больше энергии по сравнению с литий-ионными, до сегодняшнего дня препятствовали проблемы деградации из-за образования дендритов — микронных литиевых структур, вызывающих короткие замыкания. Дополнительно, их зарядка могла занимать в 3–5 раз больше времени. Электролит с органической солью Pyr22FSI позволяет решить эти проблемы: он предотвращает короткие замыкания и сокращает время зарядки до уровня литий-ионных аналогов.
Основное преимущество новой разработки состоит в сокращении энергетического барьера десольвации на 40%, что позволяет ионам лития затрачивать меньше энергии на «освобождение» от молекул электролита при движении к электродам. Это ускоряет их перемещение, что приводит к повышению скорости зарядки батареи и снижению рисков перегрева. Кроме того, электролит способствует формированию стабильного твёрдого электролитного межфазного слоя (SEI) толщиной 12–15 нм на аноде. Этот нанокомпозитный слой, насыщенный фторидами и сульфонамидами, блокирует рост дендритов и побочные химические реакции.
При тестировании новых батарей сохранена 82,3% от первоначальной ёмкости даже после 400 полных циклов зарядки-разрядки, что вдвое превышает эффективность предыдущих литий-металлических аналогов. Эксперименты проводились на ячейках с усовершенствованным катодом, содержащем никель, кобальт и марганец, и увеличенным запасом лития. Эти элементы достигли рекордной мощности в 639,5 Вт/кг, что достаточно для электромобилей с ультрабыстрой зарядкой. При этом батареи успешно прошли тест на прокол гвоздём, выдерживая температуру ниже 45°C благодаря негорючести электролита.
«Наша разработка предлагает практически реализуемый подход для создания безопасных LMB с высокой быстроразрядной способностью, — отметили исследователи. — Это открывает возможности для их промышленного применения в транспортной и энергетической сферах».
Учёные уже подали заявки на международные патенты и ведут переговоры с крупными производителями аккумуляторов. Если технология будет успешно масштабирована, к 2028 году можно ожидать появление электромобилей с запасом хода 800–1000 км, заряжающихся всего за 10–15 минут. Тем не менее, потребуется оптимизация производственного процесса, так как стоимость новых электролитов на данный момент на 30% выше стандартных решений.
Источник: iXBT
