Разработаны литий-ионные аккумуляторы, которые не теряют производительности при температуре –70°C. В перспективе такие аккумуляторы могут улучшить работу смартфонов и электромобилей в зимнее время, а также оказаться полезными для техники, эксплуатируемой на больших высотах, или для спускаемых аппаратов, исследующих поверхность небесных тел Солнечной системы — планет и их спутников («Joule», 2018, doi: 10.1016/j.joule.2018.01.017).
Как всем известно из личного опыта, аккумуляторы в смартфонах, плеерах и другой портативной электронике на морозе быстро разряжаются или просто перестают работать. При –40°C литий-ионные аккумуляторы теряют до 88% емкости. Поэтому в холодных регионах, на большой высоте и в космическом пространстве для литий-ионных аккумуляторов предусматривают термоизоляцию и подогрев. Бывает даже, что из-за сложности технических решений подобного рода аккумуляторы заменяют одноразовыми источниками электрического тока или суперконденсаторами.
Понижение производительности литий-ионных аккумуляторов при низких температурах связано с тем, что увеличивается вязкость растворителя-электролита — он даже может замерзнуть. Изменения в электролите при пониженных температурах затрудняют или делают невозможным перемещение ионов лития между электродами аккумулятора в процессе зарядки и разрядки. Кроме того, на холоде ионы лития не проникают внутрь графитового анода аккумулятора, а покрывают электрод слоем металлического лития, способного легко возгораться.
Для создания безопасного аккумулятора, не теряющего эффективности при пониженной температуре, Юняо Ся, специалист по физической химии из Фуданьского университета, решил использовать в качестве электролита этилацетат. Это вещество замерзает при –84°C и не становится более вязким при понижении температуры. Несколько лет назад уже сообщалось о том, что этилацетат можно применять как электролит для литий-ионных аккумуляторов («Electrochimica Acta», 2015, 154, 287—293; doi: 10.1016/j.electacta.2014.12.093), однако поведение аккумулятора с таким электролитом при низких температурах не изучали. Ся решил это сделать. Когда исследователи из его группы скомбинировали электролит из этилацетата с обычными электродами литий-ионного аккумулятора, производительность такого источника питания оказалась невысока.
Тогда Ся и его коллеги заменили электроды, сделав их из электропроводных полимеров. При зарядке электрода анод из полиимида вступает в реакцию, связывая ионы лития; противоионы при этом абсорбируются на катоде из политрифениламина. При разрядке аккумулятора химический процесс протекает в обратном направлении, происходит высвобождение ионов лития и десорбция анионов. Новый аккумулятор работает в температурном интервале от +50°C до —70°C; при —70 °C он сохраняет 70% емкости, характерной для комнатной температуры. К сожалению, пока он имеет низкое напряжение выхода — всего 1,2 В. Ся с коллегами продолжают работать с электролитом и материалом электродов, чтобы увеличить производительность своего аккумулятора.