Вчені з Аргонської національної лабораторії Міністерства енергетики США (DOE) розробили нову електролітну суміш та присадку для літій-іонних акумуляторів наступного покоління. Новий електроліт дозволяє замінити графітовий анод на кремнієвий, що значно збільшить місткість, термін служби та безпеку самого поширеного у світі виду батарей.
Десятиліттями хіміки шукали нові матеріали для електродів та електролітів, щоб підвищити ефективність літій-іонних батарей. Одним з кращих кандидатів на зміну графіту в аноді був кремній, який перевершує графіт по місткості енергії майже в десять разів. Інша перевага цього матеріалу — його відносна дешевизна та доступність.
«При циклі заряд-розряд, кремнієвий анод в літій-іонному елементі вступає в реакцію з електролітом, і цей процес, з часом, руйнує анод, різко скорочуючи термін служби батареї», зазначив Джек Вогхі, старший хімік в Аргонському відділі хімічних наук та інженерії (CSE).
У сучасних літій-іонних батареях міститься рідина з розчином солей літію та з однієї-трьома органічними присадками. Вчені розробили унікальну стратегію додавання присадок в електроліт, в якому містяться двічі або тричі заряджені катіони металів (Mg2+, Ca2+, Zn2+ або Al3+). Така суміш, названа MESA, і вона надає кремнію стабільність та продовжує термін служби анода.
Аргонські вчені також досліджували, як працюють MESA-місткі електроліти. Під час зарядки, добавки катіонів металів в розчині електроліту мігрують в анод на основі кремнію разом з іонами літію, утворюючи фази літій-метал-кремній, які більш стабільні, ніж літій-кремній. Цей новий хімічний склад значно зменшує шкідливі побічні реакції між кремнієвим анодом та електролітом.
З чотирьох солей металів, випробуваних в елементах, додані солі електролітів з катіонами магнію (Mg2+) або кальцію (Ca2+) виявилися найбільш ефективними протягом сотень циклів зарядки-розрядки. Енергетична щільність таких елементів перевершила графітові аналоги в півтора раза.
«Результати тестів продемонстрували, що якщо кремній в аноді коли-небудь замінить графіт або його концентрація підвищиться, цей винахід стане його частиною», заявив Барис Кей, один з учасників проекту.
Нагадаємо, що зовсім недавно, інженери Williams Advanced Engineering розробили акумулятор, який одночасно більш легкий, місткіший та потужніший ніж літій-іонні батареї. Технологію планують застосовувати в авто- мотоспорті та в електричній авіації.
За матеріалами: Science Daily
