Учёные из Корейского института передовых технологий (KAIST) представили разработку, способную ускорить внедрение литий-металлических батарей (LMB) — перспективной замены традиционным литий-ионным аккумуляторам. Результаты исследования описывают новый класс электролитов на основе органических солей, которые решают ключевые проблемы LMB: низкую стабильность, медленную зарядку и риски возгорания.
«Реализация LMB требует электролита, сочетающего негорючесть с высокой электрохимической стабильностью, — отметили в своей работе Акито Сакаи, Ёсукэ Мацумото и их коллеги. — Хотя современные технологии улучшили цикличность таких батарей, создание электролитов, обеспечивающих одновременно высокую скорость заряда и безопасность, оставалось серьёзным вызовом».
Литий-металлические батареи, теоретически способные хранить на 50–70% больше энергии, чем литий-ионные аналоги, до сих пор сталкивались с проблемами деградации из-за роста дендритов — игольчатых структур лития, провоцирующих короткие замыкания. Кроме того, их зарядка занимала в 3–5 раз больше времени. Электролит с органической солью Pyr22FSI решает две главные проблемы: предотвращает короткие замыкания и сокращает время зарядки до уровня литий-ионных аналогов
Ключевое преимущество разработки — снижение энергетического барьера десольвации на 40%, — ионам лития требуется меньше энергии для «освобождения» от молекул электролита при движении к электродам. Это ускоряет их перемещение, что повышает скорость зарядки батареи и снижает перегрев. Кроме того, электролит инициирует формирование стабильного твёрдого электролитного межфазного слоя (SEI) толщиной 12–15 нм на аноде. Этот нанокомпозитный слой, обогащённый фторидами и сульфонамидами, подавляет рост дендритов и побочные химические реакции.
При тестировании новых батарей сохранено 82,3% исходной ёмкости даже после 400 полных циклов «зарядки-разрядки» — это в два раза лучше, чем у предыдущих литий-металлических аналогов. Эксперимент проводился на элементах с усовершенствованным катодом (состав: никель, кобальт, марганец) и увеличенным запасом лития. Элементы достигли рекордной мощности 639,5 Вт/кг — уровня, достаточного для электромобилей с ультрабыстрой зарядкой. При этом батареи успешно прошли тест на прокол гвоздём, сохранив температуру ниже 45°C благодаря негорючести электролита.
«Наша разработка предлагает жизнеспособный подход для создания безопасных LMB с высокой скоростью циклов, — заявили исследователи. — Это открывает путь к их промышленному применению в транспортной и энергетической отраслях».
Учёные уже подали заявки на международные патенты и ведут переговоры с ведущими производителями аккумуляторов. Если технология масштабируется, то к 2028 году можно будет увидеть электромобили с запасом хода 800–1000 км, заряжающиеся за 10–15 минут. Однако до коммерциализации предстоит оптимизировать производственный процесс: себестоимость новых электролитов пока на 30% выше, чем у стандартных растворов.