Твердый

Jul 11, 2023

Just_Super/iStock

Подписываясь, вы соглашаетесь с нашими Условиями использования и политикой. Вы можете отказаться от подписки в любое время.

Исследователи из Университета Байройта (Германия) совместно с партнерами из Китая совершили значительный прорыв в технологии аккумуляторов. Используя инновационную добавку на основе нитратов, они успешно разработали новую твердотельную литий-металлическую батарею, которая одновременно стабильна и потенциально долговечна. Это, подчеркивает исследовательская группа, подчеркивает важность молекулярного дизайна в создании эффективных добавок для квазитвердотельных электролитов.

Профессор доктор Франческо Чиуччи, заведующий кафедрой проектирования электродов для электрохимических энергетических систем в Университете Байройта, сотрудничал с исследовательскими партнерами из Китая для решения проблем несовместимости между нитратом лития и 1,3-диоксоланом (DOL) в квазитвердых аккумуляторных электролитах путем интеграции новая добавка на основе нитратов. Это значительное событие, поскольку в прошлом такие проблемы несовместимости очень затрудняли создание или масштабирование производства таких батарей.

Открытие команды теперь позволяет разрабатывать твердотельные литий-металлические батареи, которые очень безопасны, долговечны и просты в производстве, сохраняя при этом методы производства, используемые для обычных жидких батарей.

В своих экспериментах они попытались создать различные версии этих батарей и обнаружили, что определенный тип — литий-серный (Li-S) элемент — работает особенно хорошо. Li-S аккумуляторы обладают потенциалом очень высокой плотности энергии. Это означает, что они могут хранить много энергии за свой вес, что особенно ценно для таких применений, как авиация или электромобили, где вес имеет значение. Помимо высокой плотности энергии, сера широко распространена и дешева, что может сделать Li-S батареи более рентабельными по сравнению с другими аккумуляторными технологиями, если будут решены технические проблемы.

Проф. доктор Франческо Чиуччи и др., 2023 г.

Но до сих пор Li-S-элементы страдали от плохого срока службы и стабильности.

«Твердотельные батареи обеспечивают высокий уровень безопасности, при этом их производство остается простым», — пояснил профессор Чиуччи. «Мы продемонстрировали универсальность подхода, создав различные типы литий-металлических батарей. Примечательно, что изготовленный пакетный Li-S элемент демонстрирует превосходные характеристики по сравнению с ранее задокументированными пакетными Li-S элементами», - добавил он.

Профессор Чиуччи и его исследовательская группа представили новую добавку — динитрат триэтиленгликоля, которая специально разработана для полимеризации ДОЛ. Исследовательская группа показала, что одновременно с полимеризацией образование богатого азотом межфазного слоя твердого электролита подавляет вредные паразитные реакции и повышает эффективность батареи.

На основе результатов исследования было разработано несколько аккумуляторных элементов. Среди них лабораторные элементы кнопочного типа можно заряжать и разряжать более 2000 раз. Также был изготовлен пакетик Li-S емкостью 1,7 Ач с высокой плотностью энергии 304 Вт·ч кг-1 и стабильной цикличностью.

Это открытие является большим шагом вперед в аккумуляторных технологиях. Это показывает, насколько важно правильно проектировать молекулы для создания более качественных батарей. «Это исследование подчеркивает важность проектирования молекулярной структуры при создании эффективных добавок для квазитвердотельных электролитов. Оно представляет собой значительный прогресс в практической осуществимости использования квазитвердотельных электролитов на основе поли-ДОЛ в литий-металлических батареях». объяснил профессор Чиуччи.

Вы можете просмотреть исследование самостоятельно в журнале Energy & Environmental Science.

Аннотация исследования:

Полимеризация квазитвердотельных электролитов in situ (QSSE) становится многообещающим подходом для [разработки] масштабируемых, безопасных и высокопроизводительных квазитвердотельных литий-металлических батарей. В этом контексте электролиты на основе поли-ДОЛ особенно привлекательны из-за их широкого электрохимического окна и высокой совместимости с металлическим литием. Для повышения стабильности металлического лития часто добавляют LiNO3, поскольку он создает эффективную межфазную фазу твердого электролита, богатую Li3N, на поверхности металлического литиевого анода. Однако LiNO3 предотвращает полимеризацию DOL с раскрытием цикла, что делает эти два соединения несовместимыми. Чтобы решить эту проблему, в данной работе разрабатывается динитрат триэтиленгликоля (TEGDN), новая добавка на основе нитратов, которая заменит LiNO3. Подобно LiNO3, TEGDN образует плотную, богатую азотом межфазную фазу твердого электролита на поверхности лития, защищая его от паразитных реакций. Однако, в отличие от LiNO3, ТЭГДН не препятствует полимеризации ДОЛ, что позволяет изготовить высокоэффективный электролит, обеспечивающий ионную проводимость 2,87 мСм/см и потенциал окислительной стабильности 4,28 В при комнатной температуре. Чтобы продемонстрировать жизнеспособность этого подхода, изготовлен элемент монетного типа Li|LiFePO4, стабильно циклически повторяющий более 2000 раз при 1C. Кроме того, изготовлен литий-серный элемент карманного типа емкостью 1,7 А·ч с начальной удельной энергией 304 Вт·ч·кг-1 и сохранением емкости 79,9% после 50 циклов. Короче говоря, настоящее исследование предложило новую добавку для устранения несовместимости поли-DOL и LiNO3, впервые создав полимеризованные in situ квазитвердотельные батареи, которые демонстрируют замечательную емкость и стабильность за счет образования межфазной фазы твердого электролита, богатой N.