Исследователи из Южного университета науки и технологий в Шэньчжэне, Харбинского технологического института и Северо-Западного политехнического университета в Сиане создали новый электролит для литиевых аккумуляторов, который работает даже при экстремально низких температурах до –60 °C. Эта разработка может сильно удешевить производство литиевых батарей следующего поколения и сделать их более безопасными для окружающей среды.
Литиевые металлические батареи считаются одним из наиболее перспективных направлений в энергетике. Литий как анод обладает рекордной удельной емкостью и самым низким электрохимическим потенциалом среди всех металлов, но его высокая реакционная способность делает систему нестабильной. При зарядке на поверхности лития вырастают дендриты – тонкие игольчатые структуры, способные пробить сепаратор и вызвать короткое замыкание. Для повышения устойчивости применяют так называемые электролиты высокой концентрации: почти все молекулы растворителя в них связаны с ионами лития, благодаря чему на аноде формируется прочная защитная пленка из неорганических соединений.
Проблема в том, что высокая концентрация соли делает такие электролиты тяжелыми, дорогими и экологически неблагоприятными. Фторсодержащие соли, например литий бис(фторсульфонил)имид (LiFSI), обеспечивают стабильность, но составляют до 90% стоимости раствора и заметно повышают его плотность и токсичность. Снизить содержание соли без ухудшения характеристик долгое время не удавалось.
Китайские исследователи решили проверить, можно ли это сделать, используя фторбензол – легкий и недорогой разбавитель, известный своей совместимостью с литиевым металлом. Однако при уменьшении концентрации соли в смеси с распространенным эфиром 1,2-диметоксиэтаном устойчивый прежде раствор внезапно стал агрессивным к литию: уже через несколько часов металл начинал разрушаться, а электролит темнел. Анализ показал, что при низком содержании соли в растворе остаются «свободные» молекулы эфира, которые запускают цепочку побочных реакций. Литий взаимодействует с фторбензолом, образуя фениллитий – активное промежуточное соединение, которое далее разрушает как сам растворитель, так и анод. В итоге батарея полностью теряет работоспособность.
Чтобы остановить этот процесс, ученые заменили диметоксиэтан на диметилацеталь – эфир с более разветвленной молекулой. Его пространственная структура мешает образованию активных комплексов с фениллитием и предотвращает начало цепной реакции. В такой системе фторбензол сохраняет химическую инертность, а на аноде формируется стабильная защитная пленка из неорганических соединений, прежде всего фторида лития.
Новый электролит (смесь LiFSI, фторбензола и диметилацеталя) показал впечатляющие результаты. Кулоновская эффективность, то есть доля электрического заряда, возвращаемая батареей при разряде по сравнению с тем, что был затрачен при заряде, достигла 99,4% при 25 °C и 97,7% — при минус 40 °C. Батарея с серно-полимерным катодом выдержала 500 циклов с потерей емкости всего 17%. Она сохраняла работоспособность даже при минус 60 °C, а удельная энергия опытного элемента составила 334 Вт·ч/кг – уровень, сравнимый с лучшими современными прототипами.
Таким образом фторбензол при правильном выборе растворителя может служить дешевым и легким компонентом электролита. Исследователи полагают, что сделали важный шаг на пути к литиевым металлическим аккумуляторам, способным работать в самых разных климатических условиях – от пустынной или тропической жары до арктических морозов.
