Электролит на основе ГФУ обеспечивает высокую энергоемкость литиевой батареи, которая продолжает работать при температуре −50 °C

Новости сегодня - Электролит на основе ГФУ обеспечивает высокую энергоемкость литиевой батареи, которая продолжает работать при температуре −50 °C

Китайская исследовательская группа разработала электролит на основе монофторированных гидрофторуглеродных (ГФУ) растворителей, способный достигать плотности энергии более 700 Вт·ч/кг ^при комнатной температуре и около 400 Вт· ч/ кг при −50 °C, что является значительным улучшением по сравнению с существующими технологиями. Их работа, недавно опубликованная в журнале Nature , имеет потенциальные области применения в электромобилях, аэрокосмической отрасли и системах хранения энергии для работы в экстремальных климатических условиях.

Замена растворителей электролита

В электрохимических устройствах хранения энергии, таких как литиевые батареи, электролитный материал способствует переносу заряда между катодом и анодом. Этому способствуют растворители, помогающие растворять соли лития. В качестве растворителей электролита в батареях традиционно используются лиганды на основе кислорода и азота. Однако эти материалы препятствуют переносу заряда на границе раздела электрод-электролит, особенно в условиях быстрой зарядки или низких температур, из-за сильного связывания.

Ученые пытались модифицировать растворители на основе кислорода и азота, но это часто приводило к увеличению вязкости растворителя или снижению его эффективности при низких температурах. В качестве замены были предложены гидрофторуглероды (ГФУ) , хотя некоторые исследования показали плохую растворимость солей и нестабильность с металлическим литием. Однако исследовательская группа, участвовавшая в новом исследовании, полагала, что ГФУ могут лучше растворять соли лития после некоторых модификаций.

«Если удастся точно спроектировать эксклюзивную координацию HFC–F и Li ⁺ путем усиления основности Льюиса атомов F, что позволит обеспечить существенное растворение солей лития, то предсказуемо низкие энергии связывания будут способствовать улучшению межфазной кинетики энергоемких батарей», — пишут они.

Более высокая плотность энергии, более низкие температуры

Для достижения этих целей команда синтезировала и охарактеризовала шесть различных растворителей на основе ГФУ, а затем протестировала их электрохимические характеристики в дисковых и пакетных элементах в широком диапазоне температур. Было обнаружено, что вновь синтезированные растворители растворяют соли лития в концентрации >2 моль/л. Один из растворителей, в частности, превзошел ожидания, хорошо работая даже при температуре −50 °C.

Среди них литий-ионный электролит на основе 1,3-дифторпропана (DFP) обладает всеми преимуществами для энергоемких и низкотемпературных батарей, включая низкую вязкость (0,95 сП), высокую окислительную стабильность (>4,9 В) и ионную проводимость 0,29 мСм·см⁻¹ ^при −70 °C. Благодаря включению атомов F в первую сольватационную оболочку, слабая координация F–Li⁺ ^{облегчает} процесс осаждения/удаления Li с кулоновской эффективностью (CE) до 99,7% и обеспечивает плотность обменного тока на порядок выше, чем при координации O–Li⁺ ^при −50 °C.

«Эти электролиты также позволяют использовать литий-металлические пакетные элементы питания при количестве электролита менее 0,5 г·А⁻¹ ^, достигая плотности энергии более 700 Вт·ч· ^кг⁻¹ при комнатной температуре и около 400 Вт·ч· ^кг⁻¹ при −50 °C», — пишут авторы исследования.

Современные высокопроизводительные элементы, такие как используемые в электромобилях, обычно достигают удельной емкости около 250–270 Вт·ч/кг при комнатной температуре, а это значит, что новый электролит обеспечивает значительное улучшение и возможность использования батарей в экстремальных климатических условиях. Команда отмечает, что дальнейшие улучшения могут еще больше расширить температурный диапазон и повысить стабильность.

Авторы исследования пишут: «Благодаря дальнейшей модуляции числа атомов углерода и фтора можно создавать высококипящие (>100 °C) ГФУ с хорошо сохраняющейся совместимостью с металлическим литием. Фитохромная координационная химия открывает многообещающий путь к преодолению предела мощности и плотности энергии батарей».

Новости партнеров: