Литий-ионные аккумуляторы являются одними из самых эффективных и широко используемых аккумуляторных технологий. Однако электролиты аккумуляторов в основном содержат органические карбонизированные растворители, которые считаются легковоспламеняющимися в узком диапазоне температур. Чтобы гарантировать, что они не загорятся при работе при экстремальных температурах, инженеры должны разработать более безопасные электролиты, которые не только негорючи, но и способны работать в широком диапазоне температур.

Исследователи из группы Ширли Менг из Калифорнийского университета в Сан-Диего и из Исследовательской лаборатории армии недавно разработали новые электролиты на основе сжиженного газа, которые можно использовать для производства литий-металлических аккумуляторов, способных безопасно работать от -60 до 55 ^o C. Эти электролиты имеют уникальная структура, изложенная в статье, опубликованной в журнале Nature Energy, которая делает их способными тушить огонь.

«Сжиженный газовый электролит (LGE) был впервые концептуализирован нашей исследовательской группой в статье, опубликованной в журнале Science в 2017 году, и разрабатывался в течение пяти лет», — говорит Ицзе Инь, один из исследователей, работающих в этой области из лаборатории профессора Мэн. , рассказал TechXplore. «Он состоит из различных фторуглеродных газов, которые под давлением сжижаются, образуя химически стабильный недорогой электролит с низкой температурой замерзания».

По сравнению со многими современными электролитами, представленными в предыдущих статьях, LGE, разработанные Ином и его коллегами, хорошо совместимы с литий-металлическими батареями. В первоначальных испытаниях с литиевым анодом он достиг средней кулоновской эффективности (КЭ) 99,6% в течение 500 циклов и смог проработать 18 650 элементов в экстремальных условиях.

Первоначальные LGE, разработанные командой, были основаны на фторметане (FM) и дифторметане (DFM). Несмотря на свои преимущества, эти электролиты все еще были легковоспламеняющимися при умеренном рабочем давлении.

«Чтобы преодолеть проблемы безопасности, выявленные в ходе наших предыдущих испытаний, мы закрепили функции безопасности LGE, включив в их состав чистые огнетушащие вещества, что является уникальной возможностью только для систем LGE», — пояснил Инь. «1,1,1,2-тетрафторэтан (ТФЭ) и пентафторэтан (ПФЭ) являются огнетушащими растворителями, но также имеют низкую температуру замерзания, низкую стоимость и пониженное давление паров».

Новый LGE, представленный в недавней статье группы, состоит в основном (т.е. более 80% его объемного соотношения) из чистых огнетушащих компонентов TFE и PFE. Это значительно повышает их безопасность, резко снижая риск возгорания литий-металлических батарей при высоких температурах.

«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», — сказал Инь. «Благодаря низкому давлению паров (~ 5 атм) растворители в виде сжиженных газов могут быть легко переработаны благодаря разнице давлений паров при разных температурах».

В большинстве существующих литий-ионных аккумуляторов используются легковоспламеняющиеся электролиты, которые не могут работать ниже
-20 ^o C и могут перегревать устройства при перезарядке. В будущем LGE, представленный Ином и его коллегами, может заменить некоторые из этих электролитов, помогая повысить безопасность технологии аккумуляторов на основе лития.

Благодаря своей уникальной сольватной структуре электролиты не только сохраняют почти постоянную проводимость в широком диапазоне температур более 130 градусов, но также гарантируют, что катион Li ⁺ является доминирующим транспортным веществом вместо анионов в текущих жидких электролитах. . Оба эти фактора помогают повысить производительность батареи, позволяя работать от батареи при низкой температуре.

В своих недавних экспериментах Инь, Бородин и их коллеги продемонстрировали множество преимуществ улучшенной конструкции LGE, включая их производительность, устойчивость к широким температурам и устойчивость. Кроме того, их подход в высшей степени уникален, поскольку он пересматривает некоторые основы проектирования электролитов для аккумуляторных технологий.

«Поскольку диметиловый эфир является новым растворителем, он представляет собой простейший эфир, потенциально совместимый с металлическим литием. Он также обладает выдающимися физическими свойствами и электрохимическими транспортными свойствами», — добавил Инь. «Теперь мы планируем использовать потенциал диметилового эфира в других исследованиях батарей, например, батарей, работающих при сверхнизких температурах. Нас также интересует разработка батарей высокого напряжения (> 4,5 В). -стабильность напряжения, и мы будем продолжать развивать наш электролит для достижения этой цели, а также для поддержания универсальности производительности, как сообщается в нашем документе Nature Energy».