Ученые из Южно-Китайского технологического университета, Сианьского технологического университета и компании Guangzhou Tinci Materials Technology разработали негорючий электролит, который одновременно увеличивает энергоемкость, срок службы и безопасность литий-ионных аккумуляторов. В испытаниях опытные аккумуляторы достигли удельной энергоемкости 355 Вт·ч/кг, а после прокола металлическим гвоздем не загорелись и не испытали теплового разгона.
Современные литий-ионные аккумуляторы на основе графита уже практически достигли предела своей энергоемкости. Поэтому разработчики все чаще используют более перспективные материалы: кремний для отрицательного электрода, который способен запасать почти в десять раз больше лития, чем графит, и литий-богатые оксидные катоды, работающие при напряжении до 4,8 В. Однако кремний при зарядке сильно увеличивается в объеме и разрушает защитную пленку на своей поверхности, а высокое напряжение ускоряет разложение электролита и деградацию катода. Кроме того, традиционные электролиты на основе карбонатов легко воспламеняются.
Чтобы решить эти проблемы, исследователи изменили состав электролита таким образом, чтобы ионы лития легче освобождались от окружающих их молекул растворителя перед проникновением в электроды. Для этого часть традиционного растворителя заменили более безопасным сульфоланом и добавили специальные соли и огнестойкие компоненты. В результате ионы лития стали быстрее перемещаться между электролитом и электродами, а на поверхности обоих электродов начали формироваться более прочные защитные пленки, препятствующие разрушению материалов и разложению электролита.
Расчеты и лабораторные измерения показали, что энергия, необходимая для переноса ионов лития в электроды, снизилась с 80 до 70 кДж/моль. Это позволило повысить эффективность работы аккумуляторов. Кремний-графитовый анод обеспечил емкость 1838,9 мА·ч/г и сохранил 74,9% первоначальной емкости после 300 циклов зарядки и разрядки. Литий-богатый катод выдержал 600 циклов, сохранив 72,3% емкости, тогда как батареи с традиционным электролитом в аналогичных условиях деградировали значительно быстрее.
Безопасность новой разработки проверили с помощью одного из самых жестких испытаний – прокола полностью заряженного аккумулятора металлическим гвоздем. Даже после внутреннего короткого замыкания элемент не загорелся, а его температура увеличилась всего на 2,3 градуса Цельсия. Авторы также изготовили полноразмерные аккумуляторы двух типов. Один из них достиг удельной энергоемкости 278 Вт·ч/кг, а второй – 355 Вт·ч/кг при сохранении более 90% первоначальной емкости после 120 циклов. Новый электролит также сохранил работоспособность в широком диапазоне температур – от -30 до +60 °C, что делает его перспективным для электромобилей и стационарных систем хранения энергии.
