Команда исследователей из трех ведущих китайских университетов — Южного научно-технологического университета (Шэньчжэнь), Харбинского технологического института и Северо-Западного политехнического университета (Сиань) — представила электролит нового типа, способный значительно улучшить работу литиевых аккумуляторов при экстремально низких температурах. Ученые отмечают, что разработка также позволяет уменьшить себестоимость производства и снизить экологическую нагрузку, что особенно важно для батарей следующего поколения.
Металлические литиевые аккумуляторы рассматриваются как одно из самых перспективных направлений развития электрохимической энергетики. Литий, используемый в качестве анода, обладает рекордной удельной емкостью и минимальным электрохимическим потенциалом среди металлов. Однако высокая реакционная способность вызывает серьезные проблемы: при зарядке на поверхности могут формироваться дендриты — тонкие игольчатые структуры, которые прокалывают сепаратор и приводят к короткому замыканию. Для борьбы с этим эффектом применяют высококонцентрированные электролиты, в которых почти каждая молекула растворителя связана с ионом лития, что способствует формированию плотного неорганического защитного слоя.
Но такой подход имеет недостатки. Высокая концентрация солей делает электролит тяжелым, дорогим и токсичным. Например, популярная соль LiFSI, обеспечивающая хорошую стабильность, может занимать до 90% общей стоимости электролита и существенно увеличивать его плотность. Попытки снизить содержание соли без ущерба для характеристик долгое время оставались безуспешными.
Китайские специалисты решили протестировать фенилфторид — дешевый, легкий и химически инертный разбавитель, совместимый с металлическим литием. Однако при смешивании фенилфторида с распространенным эфиром 1,2-диметоксиэтаном низкая концентрация соли привела к резкому ухудшению стабильности: раствор темнел, а поверхность лития разрушалась. Анализ показал, что «свободные» молекулы эфира вызывают побочные реакции. В присутствии лития фенилфторид превращается в фениллитий — высокореактивное соединение, запускающее цепочку разрушительных процессов.
Чтобы предотвратить эту реакцию, исследователи заменили диметоксиэтан на диметилацеталь — эфир с более разветвленной структурой. Такая молекула препятствует образованию промежуточных соединений с фениллитием, стабилизируя систему. В результате фенилфторид остается инертным, а на аноде формируется устойчивая неорганическая пленка (преимущественно из LiF), предотвращающая разрушение поверхности.
Разработанный состав — смесь LiFSI, фенилфторида и диметилацеталя — продемонстрировал впечатляющие характеристики.
- Кулоновский КПД достиг 99,4% при 25 °C и 97,7% при –40 °C.
- Элемент с серно-полимерным катодом выдержал 500 циклов, потеряв лишь 17% емкости.
- Батарея сохраняла работоспособность даже при -60 °C.
- Удельная энергоемкость экспериментального элемента составила 334 Вт·ч/кг, что сопоставимо с лучшими современными образцами.
Авторы исследования отмечают, что их работа демонстрирует: фенилфторид может стать недорогим компонентом электролита, если подобрать корректный растворитель. Новый подход открывает путь к созданию металлических литиевых аккумуляторов, способных работать в широком диапазоне температур — от жаркого климата до арктических условий, что критически важно для транспорта, аэрокосмических приложений и систем хранения энергии.
Если ваша компания рассматривает внедрение современных литиевых технологий или ищет надежного производителя аккумуляторов промышленного уровня, обращайтесь в НЭТЕР. Мы разрабатываем и производим литиевые батареи по техническому заданию заказчика, обеспечиваем полный цикл инженерной поддержки и предлагаем решения, адаптированные к реальным условиям эксплуатации — от низкотемпературных систем до высокоэнергетических модулей.