Литиевая соль поможет повысить долговечность аккумуляторов без кобальта

Ученые из Иокогамского национального университета и Университета Симанэ в Японии совместно с коллегами из Национального центра синхротронных исследований на Тайване нашли способ замедлить потерю емкости литиевых аккумуляторов с никелевыми катодами. Для этого оказалось достаточно изменить состав жидкости внутри батареи – увеличить содержание в ней литиевой соли. При концентрации соли выше 3,5 моль/л исследованный катод почти переставал терять емкость в ходе испытаний.

Никель широко используется в катодах современных литий-ионных аккумуляторов. Увеличение его доли позволяет повысить энергоемкость батареи и одновременно сократить или полностью исключить использование кобальта. Однако у такого решения есть недостаток: при зарядке поверхность никелевого катода становится менее стабильной и начинает активнее взаимодействовать с электролитом. В результате происходят нежелательные химические реакции, которые со временем приводят к снижению емкости аккумулятора.

Электролит – это жидкость внутри аккумулятора, через которую ионы лития перемещаются между электродами. Обычно концентрация литиевой соли в нем составляет около 1 моль/л. Исследователи решили проверить, что произойдет, если увеличить ее содержание. Для экспериментов они использовали бескобальтовый катод на основе лития и никеля и электролиты с концентрацией соли от 1 до 5 моль/л.

При небольшой концентрации соли в электролите остается много свободных молекул растворителя. При высоком напряжении они вступают в нежелательные реакции с поверхностью никелевого катода, из-за чего тот постепенно теряет свои свойства. Но когда концентрация соли достигает примерно 3,5 моль/л, ситуация меняется: почти все молекулы растворителя оказываются связанными с ионами лития и уже не могут так активно взаимодействовать с катодом. В результате нежелательных реакций становится значительно меньше, а потеря емкости практически прекращается.

Испытания подтвердили этот эффект. При концентрации соли 1 моль/л емкость катода постепенно снижалась с каждым циклом зарядки и разрядки. По мере увеличения содержания соли потери становились меньше, а при концентрации выше 3,5 моль/л – практически исчезали. Ученые также зафиксировали резкое сокращение образования CO₂, который выделялся в результате нежелательных реакций между растворителем и катодом при высоком напряжении.

Однако бесконечно увеличивать содержание соли нельзя. Чем ее больше, тем гуще становится электролит и тем сложнее ионам лития перемещаться внутри батареи. Например, при концентрации 5 моль/л ионная проводимость оказалась примерно в пять раз ниже, чем при 1 моль/л. Слишком густой электролит также хуже проникает внутрь электродов.

Поэтому оптимальной в ходе экспериментов оказалась концентрация 4 моль/л. При ней электролит уже практически предотвращал потерю емкости, но при этом лучше проводил ионы лития, чем более концентрированный раствор. Полученные результаты могут помочь при создании высокоэнергетических литиевых аккумуляторов с никелевыми катодами без кобальта. При этом одной из главных задач для дальнейшей разработки остается снижение вязкости концентрированных электролитов.

Узнавайте первыми главные энергетические новости и актуальную информацию о важных событиях дня в России и мире.

Подписывайтесь на наш канал в МАX

"ГИС-Профи. Информационное сопровождение предприятий энергетической отрасли"