Исследователи разработали новый гелевый электролит, который может повысить безопасность и срок службы литий-ионных аккумуляторов без анода. Эта технология считается одним из перспективных направлений развития аккумуляторов нового поколения благодаря более высокой плотности энергии и упрощённому производству.
Аккумуляторы без анода способны хранить больше энергии при тех же габаритах, поскольку в их конструкции отсутствует традиционный анод. Однако такие системы долгое время сталкивались с двумя серьёзными проблемами: ограниченным сроком службы и рисками для безопасности. Основными причинами являются нестабильное осаждение лития и нежелательные химические реакции на границе между электродом и электролитом.
Команда специалистов из Columbia Engineering предложила новый подход к созданию полимерного электролита. В его основе лежит специальная структура, которая отталкивает соли лития и одновременно притягивает молекулы растворителя. Благодаря этому внутри материала формируются области с различным химическим составом на нанометровом уровне.
Такое распределение компонентов заставляет ионы лития сильнее взаимодействовать с анионами, а не с молекулами растворителя. В результате на поверхности лития формируется более стабильный защитный слой, который снижает количество побочных реакций и улучшает работу аккумулятора.
Для проверки результатов исследователи использовали спектроскопию, криоэлектронную микроскопию и компьютерное моделирование. Анализ показал, что новый электролит способствует формированию тонкого неорганического межфазного слоя. Это обеспечивает более равномерное и плотное осаждение лития и уменьшает потери активного материала во время работы батареи.
Испытания аккумуляторных ячеек показали, что после сотен циклов зарядки и разрядки они сохраняли более 80% первоначальной ёмкости даже в условиях, близких к требованиям электромобилей. Среди таких условий это высокая плотность заряда, минимальный объём электролита и низкое внешнее давление.
Новая разработка также продемонстрировала преимущества с точки зрения безопасности. Во время испытаний на повреждение многослойные аккумуляторы с новым электролитом выдерживали механическое сверление без возникновения теплового разгона. Аналогичные элементы с традиционными жидкими электролитами воспламенялись или взрывались.
По словам авторов работы, изменение химической структуры полимерного электролита позволяет одновременно повысить долговечность и безопасность аккумуляторов. Исследователи считают, что такой подход способен приблизить коммерческое внедрение аккумуляторов без анода и может быть использован не только для литиевых, но и для других типов щелочных аккумуляторов.
Интерес к более безопасным аккумуляторам растёт на фоне ограничений традиционных литий-ионных систем. Их жидкие электролиты являются горючими, а тепловой разгон остаётся одной из главных причин возгораний и повреждений аккумуляторных блоков.
Источник: TechXplore