Солефобная полимерная сетка в электролите способствует созданию благоприятных условий на наномасштабе внутри батареи.
Исследователи из Инженерной школы Колумбийского университета разработали новый гелевый электролит для литий-ионных батарей без анода, который повышает их безопасность и срок службы. Для его разработки исследователям пришлось переосмыслить взаимодействие между полимерными электролитами и ионами лития на наномасштабе.
Растущий спрос на электрификацию удовлетворяется с помощью самого энергоемкого решения для хранения энергии, разработанного человечеством, – литий-ионных батарей. Литий-ионные батареи без анода обещают еще более высокую плотность энергии, чем их аналоги с анодом, и при этом по более низкой цене.
Однако технология не раскрыла свой потенциал в полной мере из-за таких проблем, как нестабильное осаждение лития и реакции на границе раздела электрод-электролит, которые сокращают срок службы батареи и вызывают опасения по поводу безопасности.
Группа исследователей во главе с Юань Яном, доцентом кафедры прикладной физики и математики Колумбийского университета, нашла решение этой проблемы в гелевом электролите.
Изменение формы сольватации ионов
Исследователи использовали в своей конструкции электролита паразитную солевофобную полимерную сетку, которая избирательно отталкивает ионы лития, притягивая при этом молекулы растворителя. Преимущество использования такой системы заключается в том, что электролит на наномасштабе разделен на различные компоненты. Это позволяет формировать защитный слой на поверхности лития.
В предыдущих попытках исследователи использовали сильно фторированные электролиты, но не смогли добиться столь эффективного разделения. В гелевом полимере ионы лития вынуждены координироваться сильнее с анионами, чем с молекулами растворителя.
Для лучшего понимания роли гелевого электролита исследователи использовали такие методы, как спектроскопия, криогенная электронная микроскопия и молекулярное моделирование, и обнаружили, что гелевая сетка способствует образованию тонкой, богатой неорганическими веществами межфазной границы, что обеспечивает более плавное и плотное осаждение лития.
Кроме того, это подавляет паразитные реакции, которые расходуют активный литий в безанодных ячейках, помогая преодолеть долгосрочные проблемы, связанные с такой конструкцией.
Усовершенствования в батареях
В лабораторных условиях исследователи обнаружили, что новый гелевый электролит сохраняет более 80% своей емкости в условиях, близких к реальным. Но это еще не все. Электролит также улучшил термическую стабильность батареи.
В ходе испытаний на прочность многослойные пакетные элементы с гелевым электролитом выдержали интенсивное сверление без каких-либо тепловых перегрузок. В отличие от них, батареи с обычными жидкими электролитами загорались или взрывались во время испытаний.
«Эти результаты показывают, что полимерная химия может быть мощным и недостаточно изученным инструментом для контроля структуры сольватации и межфазной стабильности», — сказал Шэнъюй Цун, научный сотрудник, участвовавший в этой работе.
Исследование также демонстрирует, что улучшение характеристик батарей может быть достигнуто за счет проектирования наноразмерных сред, а не путем разработки новых составов электролитов.
«Благодаря тому, что безопасность и долговечность заложены непосредственно в структуру электролита, мы можем приблизить безанодные батареи к реальному применению», — добавил Ян в пресс-релизе.
Исследователи также уверены, что их подход может быть распространен на аккумуляторные технологии, выходящие за рамки литий-ионных батарей. Это может открыть двери для более плотных, дешевых и безопасных решений для хранения энергии.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Joule.
Sourse: interestingengineering.com
