Китайская исследовательская группа преодолела давние кинетические ограничения в электролитах литиевых батарей, разработав и синтезировав серию новых электролитных систем на основе фторированных углеводородных растворителей, позволяющих литиевым батареям достигать плотности энергии 700 ватт-часов на килограмм.
Исследование было проведено совместно командами под руководством профессора Чжао Цин из химического колледжа Нанкайского университета, академика Чэнь Цзюня, исполнительного вице-президента Нанкайского университета, и исследователя Ли Юна из Шанхайского института космических источников энергии. Результаты были опубликованы в Интернете в международном журнале Natureon 25 февраля.
Как сообщает агентство Синьхуа, коммерческие электролиты для литиевых батарей обычно состоят из солей лития и растворителей на основе сложных эфиров карбонатов, в которых ионно-дипольное взаимодействие между литием и атомом кислорода в растворителе на основе сложных эфиров карбонатов способствует растворению солей лития. Однако эти растворители имеют плохую смачиваемость и требуют больших количеств, что затрудняет дальнейшее увеличение плотности энергии батареи. Кроме того, сильные взаимодействия препятствуют передаче заряда на интерфейсах, ограничивая производительность при низких температурах — батареи обычно с трудом функционируют при температуре ниже -50°C.
Чтобы устранить эти ограничения, исследовательская группа разработала и синтезировала серию новых молекул фторированных углеводородных растворителей, добившись эффективного растворения солей лития в электролите и успешно заменив традиционный режим координации лития-кислорода. По сравнению с традиционными кислородно-координированными электролитными системами фторированные углеводородные растворители обеспечивают превосходную смачиваемость и эффективность использования, значительно снижая необходимое количество электролита. Кроме того, более слабая координация лития и фтора обеспечивает быстрые процессы переноса заряда даже при низких температурах.
Используя эту новую систему электролита, команда разработала литиевые батареи со сверхвысокой удельной энергией — 700 ватт-часов на килограмм при комнатной температуре. Эти батареи сохраняют высокую плотность энергии — почти 400 Вт-часов на килограмм даже в условиях холода до -50°C.
Чжао Цин объяснил, что ключ к растворению соли лития посредством координации фтора лежит в регулировании электронной плотности атомов фтора и пространственных затруднений молекул растворителя. Литиевые батареи на основе этого электролита будут иметь такие преимущества, как высокая удельная энергия и устойчивость к низким температурам.
«Высокоэнергетические аккумуляторы на основе этого электролита имеют широкий потенциал применения в транспортных средствах на новой энергии, в интеллектуальных роботах, в маловысотной экономике, а также в экстремально холодных регионах и в аэрокосмической отрасли», — сказал Чэнь Цзюнь.
Комментарий редактора
В настоящее время тройная литиевая батарея Qilin компании CATL имеет плотность энергии системы от 250 до 255 Втч/кг. Эта цифра считается текущим верхним пределом плотности энергии литиевых батарей.
Плотность энергии 700 Втч/кг может относиться только к самому элементу, но она все равно значительно повысит плотность энергии всей системы. В конце концов, твердотельные батареи, находящиеся в стадии разработки, еще не превышают 400 Втч/кг. Справедливо сказать, что это исследование позволило поднять плотность энергии традиционных литиевых батарей до уровня современных твердотельных технологий.
Если последние исследования китайских ученых будут быстро реализованы, это может еще больше повысить плотность энергии нетвердотельных литиевых батарей. Узнать больше можно на сайте ChinaAutoZone.
Лю Мяо