Китайская исследовательская группа преодолела давние кинетические ограничения в электролитах литиевых батарей, разработав и синтезировав ряд новых систем электролитов на основе фторированных углеводородных растворителей, что позволяет литиевым батареям достигать плотности энергии 700 ватт-часов на килограмм.
Исследование было совместно осуществлено командами под руководством профессора Чжао Циня из Химического колледжа Нанькайского университета, академика Чэнь Цзяня, исполнительного вице-президента Нанькайского университета, и исследователя Ли Юнга из Шанхайского института космических источников энергии. Результаты были опубликованы онлайн в международном журнале Nature 25 февраля.
Как сообщает агентство Синьхуа, коммерческие электролиты литиевых батарей обычно состоят из литиевых солей и карбонатных эфиров, где ионно-дипольное взаимодействие между литием и атомом кислорода в карбонатном эфире способствует растворению литиевых солей. Тем не менее, эти растворители имеют плохую смачиваемость и требуют больших количеств, что затрудняет дальнейшее увеличение плотности энергии батарей. Кроме того, сильные взаимодействия препятствуют передаче заряда на интерфейсах, ограничивая производительность при низких температурах – батареи обычно испытывают трудности при работе ниже -50°C.
Чтобы решить эти ограничения, исследовательская группа разработала и синтезировала ряд новых молекул фторированных углеводородных растворителей, достигнув эффективного растворения литиевых солей в электролите и успешно заменив традиционный режим координации лития с кислородом. В сравнении с традиционными системами электролитов с кислородной координацией, фторированные углеводородные растворители предлагают превосходную смачиваемость и эффективность использования, значительно уменьшая требуемое количество электролита. Кроме того, более слабая координация лития с фтором позволяет проводить быстрые процессы передачи заряда даже при низких температурах.
С использованием этой новой системы электролита команда разработала литиевые батареи с ультра-высокой удельной энергией 700 ватт-часов на килограмм при комнатной температуре. Эти батареи сохраняют высокую плотность энергии почти 400 ватт-часов на килограмм даже в условиях холоднее -50°C.
Чжао Цинь объяснил, что ключ к достижению растворимости литиевых солей через координацию с фтором заключается в регулировании плотности электронов атомов фтора и молекул растворителей. Литиевые батареи, основывающиеся на этом электролите, будут иметь такие преимущества, как высокая удельная энергия и стойкость к низким температурам.
“Батареи с высоким энергией, основанные на этом электролите, имеют широкий потенциал применения в новых энергетических автомобилях, интеллектуальных роботах, экономике низкого уровня, а также в крайне холодных регионах и аэрокосмических приложениях”, - сказал Чэнь Цзюнь.
В настоящее время батарея Qilin компании CATL, являющаяся тройной литиевой батареей, обладает системной плотностью энергии от 250 Вт·ч/кг до 255 Вт·ч/кг. Эта цифра считается текущим верхним пределом для плотности энергии литиевых батарей.
Плотность энергии в 700 Вт·ч/кг может относиться только к ячейке самой батареи, но она всё равно значительно увеличивает общую плотность энергии системы. В конце концов, твердотельные батареи, находящиеся в разработке, пока не превышают 400 Вт·ч/кг. Можно с уверенностью сказать, что это исследование подняло плотность энергии традиционных литиевых батарей до уровня современных твердотельных технологий.
Если последние исследования китайских ученых будут быстро реализованы, это может ещё больше повысить плотность энергии не твердотельных литиевых батарей.