Учёные разработали электролит на основе хлора для литий-ионных аккумуляторов
Как правило, при улучшении характеристик литий-ионных аккумуляторов учёные преследуют две основные цели. Первая заключается в том, чтобы создать батарею, способную хранить большее количество энергии. А вторая цель заключается в повышении безопасности эксплуатации АКБ. Современные литий-ионные аккумуляторы содержат жидкие электролиты, которые могут легко воспламеняется. Поэтому большинство перспективных разработок как лежат в области Li-Ion аккумуляторов с твердым электролитом. Они не только имеют более высокую безопасность, но и предлагают повышенную энергетическую плотность.
Исследователи из Университета Ватерлоо (Канада), которые являются членами Объединенного центра исследований в области хранения энергии (JCESR) со штаб-квартирой в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) разработали новый твердый электролит с рядом преимуществ. Он состоит из лития, скандия, индия, хлора. Эта комбинация необходимо для создания полностью твердотельного аккумулятора, работающего без существенной потери ёмкости более 100 циклов при высоком напряжении (более 4 вольт) и более 1000 циклов при промежуточном напряжении. Хлоридная природа электролита обеспечивает стабильность системы стабильности в условиях работы выше 4 вольт. Поэтому он подходит для типичных катодных материалов, которые лежат в основе современных литий-ионных аккумуляторов. Однако этот электролит плохо проводит электроны.
Один из авторов исследования, профессор Линда Назар, сказала, что основная привлекательность разработанного ими электролита заключается в том, что он не может воспламениться и позволяет эффективно размещать его в аккумуляторном элементе. Она также добавила, что им удалось продемонстрировать стабильную работу элемента при высоком напряжении.
Полученные до настоящего момента образцы твердотельных электролитов в большей степени разработаны на основе сульфидов, которые разлагаются и окисляются при напряжении выше 2,5 вольта. Поэтому требуется изолирующее покрытие вокруг катодного материала, которое функционирует при напряжении более 4 вольт. А это ухудшает способность ионов лития и электронов перемещаться на катод из электролита. По словам Назар, в сульфидных электролитах всегда приходится решать эту головоломку. Сначала требуется изолировать электролит от катода, а в итоге всё равно требуется проводимость электронов в одном материале.
Группа профессора Назар была не первой, кто разработал электролит на хлоридной основе. Однако в этот раз учёные заменили половину индия на скандий. Это решение, основанное на результатах их прошлой работы, оказалось выигрышным с точки зрения увеличения проводимости ионов и электронов. По словам исследователей, хлоридные электролиты становятся всё более привлекательными, поскольку могут работать при высоких напряжениях. А некоторые из них химически совместимы с лучшими катодными материалами, которые есть на сегодняшний день.
Назар говорит, что одним из химических ключей к ионной проводимости лежит в перекрещивающейся трёхмерной структуре материала. Она носит название шпинели. Исследователи в своей работе сбалансировали два конкурирующих решения. Это добавление шпинели с большим количеством ионов и оставление участков для прохождения ионов. Назар сравнивает это с попыткой организации дискотеки: «Вы хотите, чтобы пришли люди, но слишком много народу тоже плохо».
По словам учёных, идеальной ситуацией в этом случае является, когда половина мест в структуре шпинели заполнено литием, а другая половина остаётся открытой. Однако создание такой ситуации является непростой задачей. Помимо хорошей ионной проводимости, учёным нужно было убедиться, что электроны не могут настолько легко перемещаться через электролит, чтобы привести к его разложению при высоком напряжении.
Назар сказала, что пока им не удалось понять, почему электронная проводимость электролита ниже, чем у большинства хлоридных электролитов, которые были получены ранее. Однако это свойство помогает установить чистую поверхность раздела между твёрдым электролитом и материалом катода. Это обеспечивает стабильную работу даже при больших количествах активного материала на катоде.
Результаты исследования опубликовали в этой статье.
(голосов: 1, в среднем: 5,00 из 5)
Загрузка...
