Больше никаких взрывов: ученые улучшили литиевые аккумуляторы при помощи сжиженного газа

Ученые из США создали новый электролит, который сделает литиевые аккумуляторы более надежными и безопасными для использования. Об изобретении стало известно порталу TechXplore.

Литий-ионные аккумуляторы обеспечивают большую емкость и быструю зарядку, поэтому используются практически во всех мобильных устройтвах. Одним из их главных недостатков являются органические вещества-сольвенты, которые добываются из нефтяного или угольного сырья, а потому легко воспламеняются при экстремальных температурах ниже -20 градусов Цельсия. Известно немало случаев, когда смартфоны взрывались, травмируя своих владельцев.

Группа ученых из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Исследовательской лаборатории армии США под руководством профессора Ширли Менг решили заменить горючие электролиты на более безопасные, которые способны работать в широком диапазоне температур. Они получили вещество на основе сжиженного газа, которое совместимо с литий-металлическими батареями, то есть такими в которых отрицательный электрод (анод) состоит из чистого лития. Новый электролит может работать при температуре от -60 до +55 градусов по Цельсию и даже тушить огонь в случае возгорания.

"Он состоит из различных фторуглеродных газов, которые под давлением сжижаются, образуя химически стабильный недорогой электролит с низкой температурой замерзания", — объяснил Ицзе Инь, один из авторов исследования.

Американские ученые представили концепцию сжиженного газового электролита в 2017 году и пытались его получить последние пять лет. Поначалу они команда пыталась использовать фторметане и дифторметан, но они могут легко загораться при определенном рабочем давлении. Чтобы сделать электролит безопасным, в его состав добавили чистые огнетушащие вещества — тетрафторэтан и пентафторэтан, которые плохо замерзают, легко добываются и имеют низкое давление паров. Их доля в общем объеме вещества составляет более 80%.

"Мы также добавили диметиловый эфир для растворения солей и образования высококонцентрированного электролита с соотношением соли и эфира, чтобы обеспечить широкое электрохимическое окно и стабильные границы раздела по отношению к Li и катоду. Благодаря низкому давлению паров (~ 5 атм) растворители в виде сжиженных газов могут быть легко переработаны благодаря разнице давлений паров при разных температурах", — рассказали изобретатели.

В отличии от других похожих веществ, новый состав хорошо совместим с металлическими батареями. Во время испытаний с литиевым анодом средняя кулоновсская эффективность составила 99,6% в течение 500 циклов и смог проработать 18 650 ячеек в экстремальных условиях. Кулоновская активность показывает соотношение ампер часов, полученных от зарядного устройства и отданных аккумулятором.

"Поскольку диметиловый эфир является растворителем, о котором недавно сообщалось, он представляет собой простейший эфир, который потенциально совместим с металлическим литием. Он также обладает выдающимися физическими свойствами и электрохимическими транспортными свойствами. Теперь мы планируем использовать потенциал диметилового эфира в других исследованиях аккумуляторов, например, аккумуляторов, работающих при сверхнизких температурах. Нас также интересует разработка высоковольтных (> 4,5 В) аккумуляторов", — подчеркнул Ицзе Инь.

Ранее американские ученые улучшили литий-ионные батареи при помощи новых электродов. Они позволяют на 2000% точнее узнавать состояние заряда батарей.

В Калифорнийском университете в Сан-Диего также создали идеальные литий-серные аккумуляторы. Они разработали универсальный электролит, способный работать при очень высоких и низких температурах.