Твердый электролит для улучшения литий-ионных батарей
Фото: Эллисон Картер. Показана литий-ионная батарея с использованием новой многообещающей катодной и электролитной системы, которая заменяет дорогие металлы и традиционный жидкий электролит более дешевыми металлофторидами и твердым полимерным электролитом.
TEPLOKARTA 25.10.2019 4 255

Фторид железа показывает более чем в два раз большую емкость, в сравнении с традиционными катодами на основе кобальта или никеля. Кроме того, железо в 300 раз дешевле кобальта и в 150 раз дешевле никеля

Растущая популярность за последние годы литий-ионных аккумуляторов серьезно увеличило мировые потребности в поставках кобальта и никеля - двух металлов, являющихся неотъемлемой частью современных аккумуляторных батарей, что приводит к росту цен на сырье.

В стремлении разработать альтернативные конструкции для литиевых батарей с меньшей зависимостью от этих дефицитных металлов, исследователи разработали многообещающую новую систему катодов и электролитов, которая заменит дорогие металлы и традиционный жидкий электролит более дешевыми металлофторидами и твердым полимерным электролитом.

«Электроды, изготовленные из фторидов переходных металлов, с давних пор демонстрируют проблемы со стабильностью и быстрым отказом, что раньше приводило к значительному скептицизму в отношении их способности к использованию в батареях следующего поколения».

В типичной литий-ионной батарее энергия высвобождается во время переноса ионов лития между двумя электродами - анодом и катодом, причем катод обычно состоит из лития и переходных металлов, таких как кобальт, никель и марганец. Ионы движутся между электродами через жидкий электролит.

Металлофторидные конверсионные катоды предлагают путь к разработке более дешевых литий-ионных аккумуляторов. К сожалению, такие катоды страдают от чрезвычайно низкой производительности при повышенных температурах, что может помешать их использованию в крупномасштабных проектах накопления энергии.

В исследовании, которое было опубликовано в журнале Nature Materials, было показано, что замена обычно используемых органических электролитов твердыми полимерными электролитами может преодолеть это препятствие. Была продемонстрирована стабильность в течение более 300 циклов при 50 °C, достигнутых с использованием фторида железа в качестве катода.

Отсутствие жидких растворителей уменьшало разложение электролита, в то время как механические свойства твердого полимерного электролита улучшали структурную стабильность катода. Результаты показывают, что формирование упругого, тонкого и гомогенного межфазного слоя электролитного катода на активных частицах стало ключом к стабильной работе.

В предыдущих попытках использовать фториды металлов считалось, что ионы мигрировали на поверхность катода и в конечном итоге растворялись в жидком электролите, вызывая потерю емкости, особенно при повышенных температурах.

Кроме того, фториды металлов катализировали массивное разложение жидких электролитов, когда элементы работали при температуре выше 38 °С. В соединении между твердым электролитом и катодом такое растворение не происходит, твердый электролит остается удивительно стабильным, предотвращая такие разложения, пишут исследователи.

Фторид железа показывает более чем в два раз большую емкость, в сравнении с традиционными катодами на основе кобальта или никеля. Кроме того, железо в 300 раз дешевле кобальта и в 150 раз дешевле никеля.

Чтобы создать такой катод, исследователи разработали процесс проникновения твердого полимерного электролита в готовый электрод из фторида железа. Затем они прибегли к горячему прессованию всей структуры, чтобы увеличить плотность и уменьшить любые пустоты.

Двумя основными характеристиками электролита на основе полимеров является его способность изгибаться и приспосабливаться к набуханию фторида железа при циклировании и его способность образовывать очень стабильную и гибкую интерфазу с фторидом железа. Традиционно, это набухание и массивные побочные реакции были ключевыми проблемами при использовании фторида железа в предыдущих конструкциях батарей.

В будущем исследователи стремятся разработать новые и улучшенные твердые электролиты, чтобы обеспечить быструю зарядку, а также комбинировать твердые и жидкие электролиты в новых конструкциях, которые полностью совместимы с традиционными технологиями производства элементов для изготовления крупных батарей.

 

Источник: Stretchy Plastic Electrolytes Could Enable New Lithium-Ion Battery Design

Комментарии

Комментарий пользователя Facebook

Михаил Павличенко

Высокая цена - не главный недостаток химических аккумуляторов. Один из существенных недостатков - узкий температурный диапазон. На холоде не заряжаются, при жаре - не хранят заряд.

Юрий Добровольский

Низкая температура кроме нескольких стран не нужна, поэтому особо не парятся. Тут как раз наше первенство (не потому Джон неуловимый, что быстро бегает, а потому что никому не нужен). А с сохранностью заряда при высоких температурах вроде проблем нет. При 40 градусах неделями потерь ощутимых нет.

Михаил Павличенко

Нам бы их проблемы) (Это про 40 градусов)

Юрий Добровольский

Это общие проблемы. Если выше 50-60, аккумуляторы просто взрываются:) Сами этим занимаемся - только пока это хорошо для публикаций, но никак не годится для изделий. Да, кстати - усовершенствуют они катод - а электролит - это путь сделать катод работоспособным:)

Написать комментарий

Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с политикой конфиденциальности