Разработка аккумуляторных технологий с увеличивающимся сроком службы может помочь удовлетворить растущие потребности электронной и автомобильной промышленности. Литиевые (Li) аккумуляторы являются наиболее широко используемыми аккумуляторными батареями во всем мире. Таким образом, разработка стратегий, которые могут увеличить срок их службы, может быть намного проще, чем разработка совершенно новых батарей.
Литий-металлические аккумуляторы, аккумуляторы с литий-металлическим анодом, являются одними из наиболее перспективных конструкций аккумуляторов нового поколения. Тем не менее, реакционная способность металлического лития до сих пор значительно ограничивала их циклическую стабильность, ухудшая образование стабильных межфазных фаз твердого электролита (SEI), что в конечном итоге приводило к сокращению срока службы батарей.
Исследователи из Университета штата Пенсильвания, Университета Иллинойса в Чикаго и Аргоннской национальной лаборатории недавно представили новый метод продления срока службы литий-металлических батарей. Этот метод, представленный в статье, опубликованной в журнале Nature Energy , основан на использовании высокофторированного циклического эфира (3,3,4,4,5,5-гексафтортетрагидропирана, HFTHP), который проявляет ограниченную реакционную способность по отношению к ионам металла Li и таким образом, может улучшить стабильность сформированных SEI.
«Продление срока службы литиевых (Li) батарей предполагает управление реакциями на литиевом аноде и стабилизацию межфазной фазы твердого электролита (SEI) посредством стратегического регулирования состава электролита», — написали Го-Син Ли, Владимир Коверга и их коллеги в своей статье. . «Мы синтезировали фторированный циклический эфир с минимизированной координационной способностью ионов лития и повышенной электрохимической стабильностью. Мы продемонстрировали его решающую роль в управлении процессом образования SEI, дифференцируя вклад двойных анионов в слой SEI».
Принципиальное различие между синтезированным ими эфиром и ранее предложенными линейными фторированными эфирами, такими как BTFE и TTE, заключается в том, что он демонстрирует минимальную координацию с ионами Li. Это облегчает образование двухслойного SEI с преобладанием неорганических веществ в металл-ионных батареях, состоящего из внутреннего слоя, богатого Li 2 O, и внешнего слоя, богатого LiF.
Было обнаружено, что этот SEI значительно повышает стабильность и обратимость литий-металлических анодов. Полученные литий-металлические аккумуляторные элементы имеют удивительно длительный срок службы, улучшенную способность к саморазряду и работоспособность при высоких температурах.
Ли, Коверга и их коллеги использовали эфир для разработки жидкого электролита для литий-металлических батарей, состоящего из 1 М LiDFOB и 0,4 М LiBF 4 в диметоксиэтане (DME)/HFTHP. Они обнаружили, что их конструкция достигла исключительных результатов: средний CE 99,5% для безанодных элементов Cu||LiNi 0,8 Mn 0,1 Co 0,1 O 2 (NMC811) и увеличенный срок службы.
«Разработанный электролит демонстрирует значительное улучшение календарного срока службы и циклической стабильности элементов Li (50 мкм)||NMC811 (4 мАч см -2 ), сохраняя емкость 80% после 568 и 218 циклов при комнатной температуре и 60 °C соответственно «, — написали исследователи. «Более того, наши прототипные аккумуляторные батареи емкостью 410 Втч/кг демонстрируют сохранение емкости на 80% в течение 470 циклов».
Новая стратегия, представленная этой исследовательской группой, вскоре может стать основой для дополнительных исследований, что в конечном итоге будет способствовать разработке новых превосходных жидких электролитов для литий-металлических батарей высокой плотности. Более того, их работа способствует пониманию разбавителей фторированных эфиров, подчеркивая их потенциал для разработки аккумуляторных решений следующего поколения.