Батареи почти перестанут стареть? Учёные нашли добавку, сохраняющую 95,6 % ёмкости после 1000 циклов
Учёные из Японского передового института науки и технологий (JAIST) разработали специальную добавку для электролита, которая значительно замедляет деградацию литий-ионных аккумуляторов. В лабораторных испытаниях аккумулятор с новой добавкой сохранил до 95,6 % первоначальной ёмкости после 1000 циклов зарядки и разрядки — тогда как обычный элемент без добавки сохранил лишь 62,7 %.
Секрет оказался в защитном слое графитового анода
Основная проблема литий-ионных аккумуляторов заключается не только в постепенном разрушении электродов. Важную роль играет тончайший защитный слой, который образуется на поверхности графитового анода в первые циклы работы аккумулятора. Этот слой называется SEI (solid electrolyte interphase).
SEI должен пропускать ионы лития, одновременно препятствуя нежелательным химическим реакциям между электролитом и электродом. Со временем защитный слой может становиться нестабильным, из-за чего расходуется активный литий, растёт внутреннее сопротивление и аккумулятор постепенно теряет ёмкость.
Исследователи из JAIST предложили воздействовать именно на этот процесс.
Добавка FPTI формирует более устойчивую защиту
Разработанное вещество получило название pentafluorophenyl thiophene imine (FPTI). Его добавляли в электролит в концентрации 2 и 4 мг/мл.
Во время первых циклов молекулы FPTI вступают в реакции на поверхности графита и участвуют в формировании более стабильного SEI. В результате защитный слой становится более проводящим и лучше препятствует побочным химическим реакциям.
Особенно заметным оказался эффект при концентрации 4 мг/мл. Сопротивление SEI снизилось с 7,6 до 2,2 Ом, а сопротивление переноса заряда — с 41,8 до 19,8 Ом. Одновременно улучшилась диффузия ионов лития.
Исследователи связывают эффект с химическим составом нового защитного слоя. В нём обнаруживаются соединения на основе серы и иминовой группы, а фторсодержащая часть FPTI способствует формированию богатого фторидом лития слоя.
Разница после 1000 циклов оказалась огромной
Главный результат эксперимента проявился при длительной работе аккумуляторов.
Графитовые элементы без специальной добавки после 1000 циклов сохранили только 62,7 % первоначальной ёмкости. Причём заметное падение характеристик начиналось уже примерно после 350 циклов.
При добавлении 2 мг/мл FPTI показатель вырос до 89,4 %.
А при концентрации 4 мг/мл исследователи получили впечатляющие 95,6 % ёмкости после 1000 циклов.
Иными словами, после тысячи циклов аккумулятор с оптимальной концентрацией добавки потерял всего около 4,4 % своей максимальной ёмкости в проведённом лабораторном тесте.
Но до аккумуляторов смартфонов и электромобилей ещё далеко
Несмотря на впечатляющие цифры, называть технологию готовой заменой существующим аккумуляторам пока рано.
Исследователи обнаружили важный недостаток FPTI: если просто добавить вещество в электролит полноценного аккумулятора, оно может негативно воздействовать на катод NMC811, увеличивая его сопротивление и ухудшая характеристики.
Поэтому учёные использовали другой подход. Сначала графитовый анод обрабатывали электролитом с FPTI, формируя на его поверхности улучшенный защитный слой. После этого анод использовали в полноценном аккумуляторе уже со стандартным электролитом.
Такой подход оказался значительно эффективнее.
Энергоплотность выросла до 233 Вт·ч/кг
Исследователи также собрали полноценные элементы с катодом NMC811 и графитовым анодом.
Аккумулятор с графитом, предварительно обработанным FPTI в концентрации 4 мг/мл, достиг энергетической плотности около 233 Вт·ч/кг. Для варианта с концентрацией 2 мг/мл показатель составил примерно 192 Вт·ч/кг, тогда как контрольный вариант без обработки показал около 130 Вт·ч/кг.
Это показывает, что управление химией поверхности электрода способно заметно улучшить характеристики аккумулятора без необходимости полностью менять материал анода.
Почему открытие важно
Если подобный подход удастся перенести из лабораторных элементов в аккумуляторы промышленного формата, он потенциально позволит увеличить срок службы батарей без кардинального изменения их конструкции.
Для электромобилей это может означать более медленную потерю запаса хода с возрастом батареи. Для смартфонов и ноутбуков — более длительное сохранение первоначальной автономности. А для систем накопления энергии увеличение ресурса может снизить необходимость частой замены аккумуляторных модулей.
При этом важнейшее преимущество разработки заключается в том, что учёным не пришлось создавать принципиально новый графитовый анод. Они изменили химические процессы, происходящие непосредственно на его поверхности.
Исследование опубликовано в научном журнале Energy & Fuels. Авторы подчёркивают, что для оценки практической перспективности технологии ещё потребуются испытания аккумуляторов большего формата и в более широком диапазоне реальных условий эксплуатации.
Таким образом, речь пока не идёт о появлении аккумулятора, который гарантированно будет сохранять 95,6 % ёмкости в смартфоне или электромобиле после тысячи зарядок. Однако эксперимент показывает весьма перспективный способ борьбы с одной из главных причин деградации современных литий-ионных батарей — нестабильностью защитного слоя на графитовом аноде.