Нов пробив в литиевите батерии достига 700 Wh/kg енергийна плътност

Китайски изследователски екип съобщава, че е преодолял дългогодишни кинетични ограничения в електролитите за литиеви батерии, като е разработил и синтезирал серия нови електролитни системи на база флуорирани въглеводородни разтворители. Това позволява литиеви батерии да постигнат енергийна плътност 700 Wh/kg.

Пробивът е реализиран съвместно от екипи, водени от проф. Джао Цин от Колежа по химия на Университета „Нанкай“, академик Чън Дзюн, изпълнителен вицепрезидент на „Нанкай“, и изследователя Ли Йонг от Шанхайския институт за космически енергийни източници. Резултатите са публикувани онлайн в списание Nature на 25 февруари.

По данни, цитирани от Xinhua News, търговските електролити за литиеви батерии обикновено са изградени от литиеви соли и разтворители на база карбонатни естери. При тях йонно-диполното взаимодействие между лития и кислородния атом в карбонатния естер подпомага разтварянето на литиевите соли.

Тези разтворители обаче имат слаба омокряемост и изискват големи количества, което затруднява по-нататъшното повишаване на енергийната плътност. Освен това силните взаимодействия възпрепятстват преноса на заряд по интерфейсите, което ограничава работата при ниски температури — батериите обичайно изпитват затруднения под -50°C.

За да адресира тези ограничения, екипът е проектирал и синтезирал серия молекули на флуорирани въглеводородни разтворители, които позволяват ефективно разтваряне на литиевите соли в електролита и заменят традиционния режим на координация литий–кислород. В сравнение с кислород-координираните системи, флуорираните въглеводородни разтворители осигуряват по-добра омокряемост и по-висока ефективност на използване, което значително намалява необходимото количество електролит.

Допълнително, по-слабата координация литий–флуор позволява по-бързи процеси на пренос на заряд дори при ниски температури.

С използването на тази нова електролитна система е разработена литиева батерия с 700 Wh/kg специфична енергия при стайна температура. Според авторите батериите запазват висока енергийна плътност от близо 400 Wh/kg дори при -50°C.

Джао Цин обяснява, че ключът към разтварянето на литиевите соли чрез флуорна координация е в регулирането на електронната плътност на флуорните атоми и пространствените препятствия на молекулите на разтворителя. По думите му литиевите батерии, базирани на този електролит, ще имат предимства като висока специфична енергия и устойчивост при ниски температури.

„Високоенергийни батерии на база този електролит имат широк потенциал за приложение в превозни средства с нови енергийни източници, въплътени интелигентни роботи, нисковисочинна икономика, както и в изключително студени региони и в аерокосмически приложения,“ казва Чън Дзюн.

В редакторски коментар се посочва, че към момента батерията Qilin на CATL, която е троична литиева батерия, има системна енергийна плътност 250–255 Wh/kg, считана широко за текуща горна граница за енергийната плътност на литиевите батерии. Най-новото изследване на китайските учени може да бъде внедрено бързо, то може да повиши енергийната плътност на несолидстейт литиевите батерии още повече.