Большая плотность новой литиевой батареи обещает огромный запас хода для электромобилей

Чтобы электрические самолеты действительно летали, а электромобили могли путешествовать на гораздо большие расстояния, понадобятся батареи, которые содержат гораздо больше энергии, но при этом не становятся чрезмерно большими. Группа специалистов из Германии продемонстрировала новую литий-металлическую батарею с плотностью, значительно превышающей эталонный показатель 500 Втч / кг, и способностью сохранять свою производительность в течение сотен циклов.

Современные литий-ионные батареи прекрасно справляются с задачей поддержания работоспособности современного мира, от электромобилей до смартфонов и портативных компьютеров, но ученые видят большой потенциал, который можно раскрыть с помощью изменений в их архитектуре.

Одна из наиболее многообещающих возможностей — замена графита, используемого в одном из электродов батареи, на чистый металлический литий, материал, который может удерживать в 10 раз больше энергии.

По этой причине некоторые исследователи аккумуляторов провозглашают металлический литий «материалом мечты», который вполне может помочь нам преодолеть ключевое узкое место в хранении энергии, но до сих пор технологии преследовали проблемы со стабильностью. Во многом это связано с побочными реакциями между раствором электролита, который несет ионы лития, и двумя электродами батареи, катодом и анодом.

Среди множества исследовательских групп, работающих над решением этой проблемы, есть команда из Технологического института Карлсруэ и Института Гельмгольца в Ульме (HIU), которые разработали конструкцию, которая в значительной степени позволяет обойти эту проблему. Исследователи начали с того, что описывается как слоистый катод с низким содержанием кобальта и никеля (NCM88) и коммерчески доступный органический электролит под названием LP30. В то время как катод достиг высокой плотности энергии, вскоре возникла нестабильность, и емкость аккумулятора уменьшилась при включении батареи.

«В электролите LP30 частицы трескаются на катоде, — объясняет профессор Стефано Пассерини, директор HIU. — Внутри этих трещин электролит реагирует и повреждает структуру. Кроме того, на аноде образуется толстый слой, содержащий литий».

Исследователи заменили электролит LP30 на альтернативный, который привел к значительному увеличению производительности. Описанный как нелетучий, трудновоспламеняемый, двуханионный ионный жидкий электролит (ILE), этот ингредиент в значительной степени предотвращает структурные дефекты на катоде и спасает батарею от фатальных электрохимических реакций.

 Смотрите также: Совершен прорыв в исследованиях литий-металлических аккумуляторов

И результаты справедливо называют «замечательными». Литий-металлический аккумулятор с такой архитектурой имел плотность энергии 560 Втч / кг. Для сравнения, существуют исследовательские группы, посвященные преодолению порогового значения плотности 500 Втч / кг для обеспечения электропитания электромобилей следующего поколения, в то время как лучшие в своем классе литий-ионные батареи сегодня имеют плотность энергии от 250 до 300 Втч / кг.

Что касается долговечности, новая конструкция литий-металлической батареи также показала хорошие результаты, начиная с начальной емкости 214 мАч / г в катодном материале и сохраняя 88 процентов от этой емкости в течение 1000 циклов.

Другая область, в которой новая литий-металлическая батарея оказалась очень эффективной, заключалась в ее кулоновской эффективности, которая связана с тем, насколько эффективно ионы лития переносятся между анодом и катодом. Зарядка 100 ионов лития с последующим получением 100 ионов лития после разрядки будет иметь кулоновский КПД 100 процентов, а коммерческим батареям для жизнеспособности требуется КПД не менее 99,9 процента. Создатели этой новой литий-металлической батареи сообщают, что средняя кулоновская эффективность составляет 99,94 процента.

Предстоит проделать большую работу, чтобы воплотить эти многообещающие результаты на лабораторных элементах в реальный мир, но стабильная батарея с такой высокой плотностью энергии может изменить правила игры, когда дело доходит до электрического транспорта.

Например, электрические самолеты сильно ограничены плотностью энергии современных батарей и поэтому могут преодолевать относительно короткие расстояния. Ограниченный диапазон электромобилей можно решить в некоторой степени за счет расширения инфраструктуры зарядки, но тип высокого отношения энергии к весу, наблюдаемый в этой батарее, может позволить им путешествовать на огромные расстояния.

Исследование было опубликовано в журнале Joule.