Новая электролитная смесь Аргонна стабилизирует кремниевые аноды во время циклического использования.
Литий-ионная батарея распространена повсеместно. Благодаря своей универсальности, эта батарея может быть приспособлена для питания мобильных телефонов, ноутбуков, электроинструментов или электромобилей. В настоящее время она является источником многомиллиардного капитала, который ежегодно растет и продолжает расти.
Исследователи Аргоновой национальной лаборатории Министерства энергетики США (МЭ США) разработали новую смесь электролитов и простую добавку, которая может занять место в следующем поколении литий-ионных батарей.
"Основываясь на результатах этих испытаний, у нас есть все основания полагать, что если кремниевые аноды когда-либо заменят графит или составят анод в концентрации более нескольких процентов, то это изобретение станет его частью и может иметь далеко идущие последствия", - говорит Аргонский химик Барис Ки.
Долгожданный прорыв
В течение многих десятилетий ученые активно охотятся за новыми электродными материалами и электролитами, которые позволяют производить литий-ионные батареи нового поколения, обладающие значительно большим запасом энергии, сохраняя при этом длительный срок службы, снижая затраты и повышая безопасность. Это новое поколение, вероятно, сделает электромобили более распространенными и ускорит переход электросетей на возобновляемые источники энергии за счет более дешевого и надежного хранения энергии.
Для ученых, разрабатывающих передовые литий-ионные батареи, кремниевый анод является главным кандидатом на замену графитового анода. Теоретически кремний обладает значительным преимуществом перед графитом по объему накопления энергии, так как он способен хранить почти в десять раз больше лития, чем графит. Повышение привлекательности кремния с коммерческой точки зрения - это его низкая стоимость. Это второй по величине материал в земной коре, и его преобладание в вычислительной и телекоммуникационной технике означает, что существуют мощные технологии обработки.
"Но камень преткновения остался", - отметил Джек Вогей, старший химик отдела химических наук и технологий (CSE) Аргонна. "При циклическом использовании кремниевый анод в литий-ионной ячейке становится очень реактивным с электролитом, и этот процесс разрушает ячейку с течением времени, что приводит к сокращению срока ее службы".
Добавки в электролиты
Электролиты литий-ионных батарей в настоящее время содержат смесь растворителей с растворенной литиевой солью и, по крайней мере, с одной, чаще всего более чем тремя, органическими добавками. Ученые Аргона разработали уникальную стратегию электролитной добавки - небольшое количество второй соли, содержащей любой из нескольких двух- или трехкратно заряженных катионов металлов (Mg2+, Ca2+, Zn2+, или Al3+). Эти усовершенствованные смеси электролитов, совместно именуемые "MESA" (что расшифровывается как электролиты смешанной соли для кремниевых анодов), придают кремниевым анодам повышенную поверхностную и объемную стабильность, улучшая их долговечность и повышая количество циклов работы.
"Мы тщательно протестировали формулы MESA с полными ячейками, изготовленными из стандартных электродов, имеющих коммерческое значение", - сказал Барис Ки, химик подразделения CSE. "Новый химический состав прост, масштабируем и полностью совместим с существующей технологией аккумуляторов."
"В этом проекте нам очень помогло предприятие по анализу, моделированию и прототипированию аргонских клеток (CAMP)", - добавил Вогей. "Именно там мы протестировали наши препараты MESA."
Исследователи из Аргонна также исследовали, как работают электролиты, содержащие MESA. При зарядке катионные добавки металла в растворе электролита мигрируют в анод на основе кремния вместе с ионами лития для образования более устойчивых, чем кремний-литий, кремниево-литиевых фаз. Эта новая химия клеток значительно уменьшает вредные побочные реакции между анодом кремния и электролитом, который поражал клетки традиционным электролитом. Из четырех солей металлов, испытанных в клетках, добавленные электролитные соли с катионами магния (Mg2+) или кальция (Ca2+) лучше всего работают в течение сотен циклов заряда-разряда. Плотности энергии, получаемой с помощью этих клеток, превосходят плотности энергии, получаемые для сопоставимых клеток с графитовой химией, до 50%.
"Основываясь на результатах этих испытаний, - сказал Ки, - у нас есть все основания полагать, что если кремниевые аноды когда-либо заменят графит или составят анод в концентрации более нескольких процентов, то это изобретение станет его частью и может иметь далеко идущие последствия".
