Новое раннее исследование показывает, что добавление небольшого количества химического гексафторфосфата лития к двухсолевому электролиту на основе карбонатного растворителя может сделать перезаряжаемые литий-металлические батареи стабильными, быстро заряжаться и иметь высокое напряжение.«Хорошая литий-металлическая батарея будет иметь такой же срок службы, как и литий-ионные батареи, которыми питаются современные электромобили и бытовые электрические устройства, но также будет хранить больше энергии, чтобы мы могли дольше ездить между зарядками», — сказал химик Ву Сюй из Департамента. Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории энергетики.
Сюй — автор статьи, опубликованной сегодня в журнале Nature Energy.Основы работы с батареямиБольшинство используемых сегодня аккумуляторных батарей — это литий-ионные батареи, у которых есть два электрода: один положительно заряжен и содержит литий, а другой — отрицательный, который обычно сделан из графита. Электричество генерируется, когда электроны проходят через провод, соединяющий их.
Чтобы управлять электронами, положительно заряженные атомы лития перемещаются от одного электрода к другому по другому пути, раствор электролита, в котором находятся электроды. Но графит не может хранить много энергии, что ограничивает количество энергии, которое литий-ионная батарея может обеспечить смартфоны и электромобили.Когда в 1970-х годах впервые были разработаны литиевые аккумуляторные батареи, исследователи использовали металлический литий для отрицательного электрода, называемого анодом.
Литий был выбран потому, что он имеет в десять раз большую емкость хранения энергии, чем графит. Проблема заключалась в том, что электролит, содержащий литий, вступал в реакцию с литиевым анодом. Это вызвало рост микроскопических наночастиц лития и ответвлений, называемых дендритами, на поверхности анода, что привело к выходу из строя первых батарей.Многие за эти годы усовершенствовали аккумуляторные батареи, пытаясь решить проблему дендритов.
Исследователи перешли на другие материалы, такие как графит для анода. Ученые также покрыли аноды защитными слоями, а другие создали добавки к электролиту. Некоторые решения устраняли дендриты, но также приводили к непрактичным батареям с небольшой мощностью. Другие методы только замедляли, но не останавливали рост дендритов.
Хранилище нового поколенияПредполагая, что сегодняшние перезаряжаемые литий-ионные батареи с графитовыми анодами могут быть близки к своей пиковой энергоемкости, PNNL еще раз взглянет на старую конструкцию с металлическим литием в качестве анода.
Сюй и его коллеги участвовали в более ранних исследованиях PNNL, направленных на поиск более эффективных электролитов. Электролиты, которые они попробовали, дали либо батарею, которая не имела проблемных дендритов и была сверхэффективной, но заряжалась очень медленно и не могла работать в батареях с более высоким напряжением, либо быстро заряжалась батарея, которая была нестабильной и имела низкое напряжение.Затем они попытались добавить небольшое количество соли, которая уже используется в литий-ионных батареях, гексафторфосфата лития, в их быстро заряжающийся электролит. Они соединили свежевыжатый электролит с литиевым анодом и катодом из литий-никель-марганцево-кобальтового оксида.
Это оказалась выигрышная комбинация, результатом которой стала быстрая, эффективная высоковольтная батарея.Добавка позволила создать батарею с напряжением 4,3 В, которая сохранила более 97 процентов своего первоначального заряда после 500 повторных зарядов и разрядов, при этом выдерживая 1,75 миллиАмпер электрического тока на квадратный сантиметр площади. Для полной зарядки аккумулятора потребовалось около часа.
Недорогая защитаБатарея показала хорошие результаты в основном потому, что добавка помогает создать прочный защитный слой из карбонатных полимеров на литиевом аноде батареи. Этот тонкий слой предотвращает использование лития в нежелательных побочных реакциях, которые могут убить аккумулятор.
И, поскольку добавка уже является привычным компонентом литий-ионных аккумуляторов, она легко доступна и относительно недорога. Необходимые небольшие количества — всего 0,6 процента электролита по весу — также должны дополнительно снизить стоимость электролита.Сюй и его команда продолжают изучать несколько способов сделать перезаряжаемые литий-металлические батареи жизнеспособными, включая улучшение электродов, сепараторов и электролитов.
Конкретные следующие шаги включают изготовление и тестирование большего количества их электролита, дальнейшее повышение эффективности и сохранения емкости литий-металлической батареи с использованием их электролита, увеличение нагрузки материала на катод и испытание более тонкого анода.