673886040@qq.com
Новая добавка к электролиту улучшает характеристики литий-металлических батарей
Добавление добавки к электролиту увеличило скорость зарядки литий-металлических батарей и привело к новому пониманию химии аккумуляторов. Химики из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, стремясь улучшить аккумуляторы электромобилей, использовали добавку к электролиту для улучшения функциональности энергоемких литий-металлических батарей. Добавив соединение под названием нитрат цезия в электролит, который разделяет анод и катод батареи, исследовательская группа значительно улучшила скорость зарядки литий-металлических батарей, сохранив при этом длительный срок службы.
Новая работа команды, недавно опубликованная в журнале Nature Communications, нацелена на интерфазу — защитный слой, образующийся на аноде и катоде батареи. Этот слой, предотвращающий разрушение электродов батареи, является ключом к созданию литий-металлических батарей, которые можно заряжать и разряжать столько же раз, сколько литий-ионные батареи.
«Мы хотели улучшить скорость зарядки современных литий-металлических батарей», — объяснил Мухаммад Моминур Рахман, научный сотрудник группы электрохимического хранения энергии химического отдела Брукхейвенского университета и первый автор новой статьи. . «Но мы также хотели стабилизировать батареи с помощью более защитной промежуточной фазы, чтобы они прослужили дольше».
Помимо успешной стабилизации батареи, добавка Рахмана к электролиту неожиданно изменила химический состав батареи.
«Результаты Моминура бросают вызов общепринятым представлениям о компонентах эффективной интерфазы», — сказал Эньюань Ху, химик из Брукхейвена и главный исследователь группы электрохимического хранения энергии. «Мы рады видеть, как эти результаты способствуют крупным усилиям Министерства энергетики, сосредоточенным на литий-металлических батареях».
Один шаг к большой цели
Ху и его команда работают вместе с другими экспертами по батареям в рамках Консорциума Battery500, объединяющего несколько национальных лабораторий и университетов. Консорциум, возглавляемый Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией Министерства энергетики, стремится производить батареи с плотностью энергии 500 ватт-часов на килограмм, что более чем вдвое превышает плотность энергии современных батарей.
Такая плотность энергии не может быть достигнута в литий-ионных батареях, питающих большинство современных устройств с батарейным питанием, включая телефоны, пульты от телевизора и даже электромобили. Итак, ученым пришлось обратиться к литий-металлическим батареям для достижения своих целей. Эти батареи имеют литий-металлический анод, а не графитовый анод, присутствующий в литий-ионных батареях.
«Литий-металлическая батарея привлекательна тем, что она может давать вдвое большую плотность энергии, чем батарея с графитовым анодом», — объяснил Рахман. «Но предстоит решить множество задач».
Последнее исследование Брукхейвена направлено на решение одной из этих задач — нахождение баланса между скоростью зарядки и сроком службы.
Электролит, который обычно обеспечивает быструю зарядку аккумулятора, также, вероятно, будет вступать в реакцию с литий-металлическим анодом. Если эти химические реакции протекают бесконтрольно, электролит разлагается и сокращает срок службы аккумулятора. Чтобы этого не произошло, химики из Брукхейвена решили спроектировать интерфазу.
Предыдущие исследования показали, что анод из металлического лития можно стабилизировать добавкой цезия. Но чтобы увеличить скорость зарядки при сохранении срока службы батареи, анод и катод необходимо стабилизировать одновременно. Ученые из Брукхейвена полагали, что нитрат цезия может служить этой цели для литий-металлических батарей. Как они и предполагали, положительный ион цезия накапливался на отрицательно заряженной стороне металлического литиевого анода батареи, в то время как отрицательный ион нитрата накапливался на положительно заряженном катоде.
Чтобы лучше понять, как добавка нитрата цезия повлияла на состав электролита и производительность батареи, химики привезли новые батареи в Национальный источник синхротронного света II (NSLS-II), пользовательский центр Управления науки Министерства энергетики США в Брукхейвенской лаборатории.
