673886040@qq.com
Электролиты нового поколения для литий-металлических аккумуляторов с высокой плотностью энергии
Выводы позволяют значительно повысить плотность энергии литиевых батарей.Группа исследователей обнаружила новый механизм стабилизации литий-металлического электрода и электролита в литий-металлических батареях. Этот новый механизм не зависит от традиционного кинетического подхода. Он может существенно улучшить плотность энергии батареи — количество хранимой энергии по отношению к весу или объему.
Команда опубликовала свои выводы сегодня (27 октября) в журнале Nature Energy.
Литий-металлические батареи — это многообещающая технология, способная удовлетворить потребности в системах хранения с высокой плотностью энергии. Однако из-за непрекращающегося разложения электролита в этих батареях их кулоновская эффективность мала. Кулоновский КПД, также называемый КПД по току, описывает КПД, с которым электроны передаются в батарее. Таким образом, батарея с высокой кулоновской эффективностью имеет более длительный срок службы батареи.
«Это первая статья, в которой потенциал электрода и связанные с ним структурные особенности предлагаются в качестве показателей для проектирования электролитов литий-металлических аккумуляторов, которые извлекаются путем внедрения науки о данных в сочетании с вычислительными расчетами. Основываясь на наших выводах, было легко разработано несколько электролитов, обеспечивающих высокую кулоновскую эффективность», — сказал Ацуо Ямада, профессор кафедры инженерии химических систем Токийского университета. Работа команды может открыть новые возможности в разработке электролитов следующего поколения для литий-металлических аккумуляторов.
В литий-ионных батареях ион лития перемещается от положительного электрода к отрицательному электроду через электролит во время зарядки и обратно при разрядке. Внедряя электроды с высокой плотностью энергии, можно улучшить плотность энергии батареи. В этом контексте за последние десятилетия было проведено множество исследований по замене графитового отрицательного электрода на металлический литий. Однако металлический литий обладает высокой реакционной способностью, что восстанавливает электролит на его поверхности. Из-за этого литий-металлический электрод имеет низкую кулоновскую эффективность.
Чтобы преодолеть эту проблему, ученые разработали функциональные электролиты и электролитные добавки, образующие защитную пленку на поверхности. Эта межфазная фаза твердого электролита влияет на безопасность и эффективность литиевых батарей. Поверхностная защитная пленка предотвращает прямой контакт между электролитом и литий-металлическим электродом, тем самым кинетически замедляя восстановление электролита. Однако до сих пор ученые не до конца понимали корреляцию между межфазной границей твердого электролита и кулоновской эффективностью.
Ученые знают, что если они улучшат стабильность межфазной фазы твердого электролита, то смогут замедлить разложение электролита и повысить кулоновскую эффективность батареи. Но даже с передовыми технологиями ученым трудно напрямую анализировать межфазную химию твердого электролита. Большинство исследований межфазной границы твердого электролита было проведено с помощью косвенных методологий. Эти исследования предоставляют косвенные доказательства, что затрудняет разработку металлического лития, стабилизирующего электролит, который приводит к высокой кулоновской эффективности.
Исследовательская группа определила, что если бы они могли повысить окислительно-восстановительный потенциал металлического лития в конкретной системе электролита, они могли бы уменьшить термодинамическую движущую силу для восстановления электролита и, таким образом, достичь более высокой кулоновской эффективности. Эта стратегия редко применялась при разработке аккумуляторов с металлическим литием. «Термодинамический окислительно-восстановительный потенциал металлического лития, который значительно варьируется в зависимости от электролита, является простым, но упускаемым из виду фактором, влияющим на характеристики литий-металлического аккумулятора», — сказал Ацуо Ямада.
Команда изучила окислительно-восстановительный потенциал металлического лития в 74 типах электролитов. Исследователи ввели соединение под названием ферроцен во все электролиты в качестве внутреннего стандарта, рекомендованного IUPAC (Международный союз теоретической и прикладной химии) для электродных потенциалов. Команда доказала, что существует корреляция между окислительно-восстановительным потенциалом металлического лития и кулоновской эффективностью. Они получили высокую кулоновскую эффективность с повышенным окислительно-восстановительным потенциалом металлического лития.
Заглядывая в будущее, цель исследовательской группы — более подробно раскрыть рациональный механизм, лежащий в основе сдвига окислительно-восстановительного потенциала. «Мы разработаем электролит, гарантирующий кулоновскую эффективность более 99,95%. Кулоновский КПД металлического лития составляет менее 99% даже при использовании усовершенствованных электролитов. Однако для коммерциализации аккумуляторов на основе металлического лития требуется не менее 99,95%», — сказал Ацуо Ямада.
Ссылка: «Электродный потенциал влияет на обратимость литий-металлических анодов» 27 октября 2022 г., Nature Energy.
Это исследование было проведено в сотрудничестве с Нагойским технологическим институтом.
Финансирование: Программа исследований и разработок передовых низкоуглеродных технологий; Специально продвигаемые исследования для инновационных аккумуляторов следующего поколения Японского агентства по науке и технологиям; Специально продвигаемые исследования JSPS KAKENHI; и Программа Министерства образования, культуры, спорта, науки и технологий: Проект исследования и разработки материалов типа создания и использования данных финансировали это исследование.
