Новый аккумуляторный электролит, разработанный в Стэнфорде, может повысить производительность электромобилей

Первоначально опубликовано Стэнфорд | Новости науки
Марк Шварц

Исследователи из Стэнфорда разработали новый электролит для литий-металлических аккумуляторов, который может увеличить запас хода электромобилей. Посмотрите видео ниже.

Новый электролит на основе лития, изобретенный учеными Стэнфордского университета, может проложить путь к следующему поколению электромобилей с батарейным питанием.

Испытание на горючесть нового электролита для литий-металлических аккумуляторов (любезно предоставлено Stanford ENERGY)

В исследовании, опубликованном 22 июня в журнале Nature Energy , исследователи из Стэнфорда демонстрируют, как их новая конструкция электролита повышает производительность литий-металлических аккумуляторов, многообещающей технологии для питания электромобилей, ноутбуков и других устройств.

«Большинство электромобилей работают на литий-ионных батареях, плотность энергии которых быстро приближается к теоретическому пределу», — сказал соавтор исследования Йи Цуй, профессор материаловедения и инженерии, а также фотонной науки в Национальной ускорительной лаборатории SLAC. «Наше исследование было сосредоточено на литий-металлических батареях, которые легче литий-ионных батарей и потенциально могут вырабатывать больше энергии на единицу веса и объема».

Литий-ион по сравнению с металлическим литием

Литий-ионные аккумуляторы, используемые во всем, от смартфонов до электромобилей, имеют два электрода — положительно заряженный катод, содержащий литий, и отрицательно заряженный анод, обычно сделанный из графита. Раствор электролита позволяет ионам лития перемещаться между анодом и катодом, когда аккумулятор используется и когда он перезаряжается.

Литий-металлическая батарея может удерживать примерно в два раза больше электроэнергии на килограмм, чем современная обычная литий-ионная батарея. Литий-металлические батареи делают это, заменяя графитовый анод металлическим литием, который может хранить значительно больше энергии.

«Литий-металлические аккумуляторы очень перспективны для электромобилей, где вес и объем имеют большое значение», — сказал соавтор исследования Женан Бао, представитель K.K. Ли, профессор Инженерной школы. «Но во время работы литий-металлический анод реагирует с жидким электролитом. Это вызывает рост литиевых микроструктур, называемых дендритами, на поверхности анода, что может привести к возгоранию и выходу из строя батареи».

Исследователи потратили десятилетия, пытаясь решить проблему дендритов.

«Электролит был ахиллесовой пятой литий-металлических аккумуляторов», — сказал соавтор Чжао Юй, аспирант по химии. «В нашем исследовании мы используем органическую химию для рационального проектирования и создания новых стабильных электролитов для этих батарей».

Новый электролит

Для исследования Ю и его коллеги изучили, могут ли они решить проблемы со стабильностью с помощью обычного имеющегося в продаже жидкого электролита.

«Мы предположили, что добавление атомов фтора в молекулу электролита сделает жидкость более стабильной», — сказал Юй. «Фтор — широко используемый элемент в электролитах для литиевых аккумуляторов. Мы использовали его способность притягивать электроны, чтобы создать новую молекулу, которая позволяет металлическому литиевому аноду хорошо функционировать в электролите».

Результатом стало новое синтетическое соединение, сокращенно FDMB, которое можно легко производить в больших количествах.

«Конструкции электролитов становятся очень экзотичными, — сказал Бао. «Некоторые из них подали хорошие надежды, но их производство очень дорого. Молекулу FDMB, которую придумал Чжао, легко производить в больших количествах, и она довольно дешевая».

«Невероятная производительность»

Команда из Стэнфорда протестировала новый электролит в литий-металлическом аккумуляторе.

Результаты были драматичными. Экспериментальная батарея сохранила 90 процентов своего первоначального заряда после 420 циклов зарядки и разрядки. В лабораториях обычные литий-металлические батареи перестают работать примерно через 30 циклов.

Исследователи также измерили, насколько эффективно ионы лития переносятся между анодом и катодом во время зарядки и разрядки — свойство, известное как «кулоновская эффективность».

«Если вы зарядите 1000 ионов лития, сколько вы получите обратно после разрядки?» — сказал Цуй. «В идеале вам нужно 1000 из 1000 для кулоновской эффективности 100 процентов. Чтобы быть коммерчески жизнеспособным, элемент батареи должен иметь кулоновский КПД не менее 99,9%. В нашем исследовании мы получили 99,52% в полуячейках и 99,98% в полных ячейках; невероятная производительность».

Безанодный аккумулятор

Для потенциального использования в бытовой электронике команда из Стэнфорда также протестировала электролит FDMB в безанодных литий-металлических мешочных элементах — имеющихся в продаже батареях с катодами, которые подают литий к аноду.

«Идея состоит в том, чтобы использовать литий только на стороне катода для снижения веса», — сказал соавтор Хансен Ван, аспирант в области материаловедения и инженерии. «Безанодная батарея проработала 100 циклов, прежде чем ее емкость упала до 80 процентов — не так хорошо, как эквивалентная литий-ионная батарея, которая может работать от 500 до 1000 циклов, но все же одна из самых эффективных безанодных элементов».

«Эти результаты обнадеживают для широкого круга устройств», — добавил Бао. «Легкие безанодные аккумуляторы будут интересны для дронов и многих других электронных устройств».

Батарея500

Министерство энергетики США (DOE) финансирует большой исследовательский консорциум под названием Battery500, чтобы сделать литий-металлические батареи жизнеспособными, что позволит производителям автомобилей создавать более легкие электромобили, которые могут преодолевать гораздо большие расстояния между зарядками. Это исследование было частично поддержано грантом консорциума, в который входят Стэнфорд и SLAC.

Улучшая аноды, электролиты и другие компоненты, Battery500 стремится почти втрое увеличить количество электроэнергии, которое может обеспечить литий-металлическая батарея, со 180 ватт-часов на килограмм, когда программа была запущена в 2016 году, до 500 ватт-часов на килограмм. Более высокое отношение энергии к весу, или «удельная энергия», является ключом к решению проблем с запасом хода, которые часто возникают у потенциальных покупателей электромобилей.

«Безанодная батарея в нашей лаборатории достигла удельной энергии около 325 ватт-часов на килограмм, что является приличным числом», — сказал Цуй. «Нашим следующим шагом может быть совместная работа с другими исследователями из Battery500 для создания элементов, которые приближаются к цели консорциума — 500 ватт-часов на килограмм».

В дополнение к более длительному сроку службы и лучшей стабильности, электролит FDMB также гораздо менее горюч, чем обычные электролиты, как показали исследователи в этом видео.

«Наше исследование, по сути, представляет собой принцип проектирования, который люди могут применять для создания лучших электролитов», — добавил Бао. «Мы только что показали один пример, но есть много других возможностей».

Другие соавторы Стэнфордского университета  Цзянь Цинь , доцент кафедры химического машиностроения; ученые с докторской степенью Сянь Конг, Кеченг Ван, Вэньсяо Хуан, Снехашис Чоудхури и Чибуезе Аманчукву; аспиранты Уильям Хуан, Ючи Цао, Дэвид Макканик, Ю Чжэн и Саманта Хунг; и студенты Ютинг Ма и Эдер Ломели. Синьчан Ван из Сямэньского университета также является соавтором. Чжэнань Бао и И Цуй – старшие научные сотрудники Стэнфордского университета. Институт энергетики Precourt <эм>. Цуй также является главным исследователем в Стэнфордский институт материаловедения и энергетики , сустав Исследовательская программа SLAC/Стэнфорд.

Эта работа также поддерживалась Программой исследований аккумуляторных материалов Управления автомобильных технологий Министерства энергетики США. Оборудование, используемое в Стэнфорде, поддерживается Национальным научным фондом.

«Испытание на горючесть нового электролита для литий-металлических аккумуляторов», избранное изображение предоставлено видео Stanford ENERGY