Исследователи из Южного научно-технологического университета в Шэньчжэне, Харбинского технологического института и Северо-Западного политехнического университета в Сиане создали новый раствор электролита для литиевых батарей, которые могут работать даже при экстремально низких температурах (до –60 °C). Эта разработка может радикально снизить производственные затраты на выпуск литиевых батарей следующего поколения и сделать их более безопасными для окружающей среды.
Считается, что металлические литиевые аккумуляторы обладают одним из самых высоких потенциалов развития в энергетическом секторе. В качестве анода литий обладает рекордно высокой удельной ёмкостью и самым низким электрохимическим потенциалом среди всех металлов; однако его высокая химическая активность делает систему нестабильной. В процессе зарядки на поверхности лития образуются дендриты – тонкие игольчатые структуры, способные проткнуть сепаратор и вызвать короткое замыкание. Для повышения стабильности системы используются так называемые высококонцентрированные растворы электролитов, в которых почти все молекулы растворителя связаны с ионами лития, благодаря чему на аноде образуется прочная защитная плёнка из неорганических соединений.
Проблема в том, что высокая концентрация соли делает такие электролиты тяжёлыми, дорогими и неэкологичными. Фторсодержащие соли, например бис(фторсульфонил)имид лития (LiFSI), обеспечивают стабильность, но составляют до 90 % стоимости раствора и заметно повышают его плотность и токсичность. Долгое время специалистам не удавалось снизить содержание соли без ущерба для свойств.
Китайские исследователи решили проверить, можно ли добиться такого результата с помощью фенилфторида – лёгкого и недорогого разбавителя, известного своей совместимостью с металлическим литием. Однако при разбавлении соли в смеси с расширенным эфиром 1,2-диметоксиэтаном ранее стабильный раствор внезапно стал агрессивным по отношению к литию: металл начал разрушаться уже через несколько часов, а раствор электролита потемнел. Анализ показал, что при низком содержании соли в растворе остаются «свободные» молекулы эфира, которые запускают цепочку побочных реакций. Литий вступает в реакцию с фенилфторидом, образуя фениллитий – активное промежуточное соединение, которое затем разрушает и раствор, и анод. В конечном итоге аккумулятор полностью теряет свою работоспособность.
Чтобы остановить этот процесс, учёные заменили диметоксиэтан на диметилацеталь – эфир с более разветвлённой молекулой. Его пространственная структура препятствует образованию активных комплексов с фениллитием и началу цепной реакции. В такой системе фенилфторид сохраняет свою химическую инертность, а на аноде образуется стабильная защитная плёнка из неорганических соединений (в основном фторида лития).
Новый раствор электролита (смесь LiFSI, фенилфторида и диметилацеталя) продемонстрировал впечатляющие результаты. Кулоновский КПД, то есть доля электрического заряда, возвращаемого аккумулятором при разрядке, по отношению к количеству заряда, достиг 99,4 % при температуре 25 °C и 97,7 % при температуре минус 40 °C. Аккумулятор с серно-полимерным катодом выдержал 500 циклов, потеряв всего 17 % ёмкости. Он оставался работоспособным даже при температуре минус 60 °C, а удельная энергоёмкость пилотного элемента составила 334 Вт*ч/кг – уровень, сопоставимый с лучшими современными прототипами.
Таким образом, фенилфторид может стать дешёвым и лёгким компонентом раствора электролита, если правильно подобрать растворитель. Исследователи считают, что они сделали важный шаг на пути к созданию металлических литиевых батарей, способных работать в различных климатических условиях – от пустынной или тропической жары до арктических морозов.