Nowatorski projekt elektrolitu wykazuje obietnicę dłuższej żywotności baterii litowo-metalowych

18 sierpnia 2024 r. funkcja

Ten artykuł został sprawdzony zgodnie z procesem redakcyjnym i politykami Science X. Redaktorzy podkreślili następujące cechy, dbając jednocześnie o wiarygodność treści:

• sprawdzone fakty
• publikacja z recenzją przez równych sobie
• zaufane źródło
• skorygowane

przez Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Baterie litowo-metalowe mogą wykazywać znacznie wyższe gęstości energii niż baterie litowo-jonowe, które są obecnie główną technologią baterii na rynku. Jednak komórki z litowo-metalu zazwyczaj mają również znaczne ograniczenia, z których najbardziej zauważalne jest krótka żywotność.

Niedawno badacze z Uniwersytetu Nauki i Technologii Chin oraz innych instytutów wprowadzili nowy projekt elektrolitu, który mógłby być wykorzystany do opracowania wysoko wydajnych komórek litowo-metalowych z dłuższą żywotnością. Ten elektrolit, przedstawiony w artykule w Nature Energy, ma unikalną strukturę solwatacji na nanoskalę, gdzie pary jonów są gęsto upakowane w zwarte agregaty par jonów (CIPA).

"Głównym celem naszej niedawnej pracy jest znaczące przyspieszenie praktycznych zastosowań baterii litowo-metalowych i zaoferowanie głębokiego zrozumienia mechanizmów tego skomplikowanego systemu" - powiedział Tech Xplore prof. Shuhong Jiao, współautor artykułu.

"Baterie Li-metalowe są świętym Graalem branży baterii i są postrzegane jako obiecująca technika baterii następnej generacji, ponieważ mają ultra-wysoką gęstość energetyczną, teoretycznie >500 Wh/kg. Jest to większa wartość niż 2-krotnie niż obecne litowo-jonowe baterie dominujące na rynku, co oznacza, że jeśli będziemy mogli zastąpić baterie litowo-jonowe bateriami litowo-metalowymi, zasięg pojazdów elektrycznych podczas jednego ładowania można podwoić."

Wprowadzone dotychczas baterie litowo-metalowe mają mocno ograniczony cykl życia, wynoszący około 50 cykli, co jest znacznie niższe niż w przypadku komercyjnych baterii litowo-jonowych, które zazwyczaj zachowują dobrą wydajność przez około 1000 cykli. Powodem tej niższej trwałości jest wzrost dendrytów litowych, wysoka reaktywność litowo-metalu i katody metalowe o wysokim napięciu, które łącznie prowokują ciągły spadek elektrolitu.

"Pomimo ogromnych wysiłków badaczy na całym świecie, wydajność baterii litowo-metalowych nadal jest daleka od zadowalającej (ponad 500 Wh/kg, 1000 cykli)" - powiedział prof. Jiao. "Główną przyczyną tego jest to, że interfejsy pomiędzy elektrolitem a elektrodami (tj. interfejs anoda-elektrolit i interfejs katoda-elektrolit) nie mogą być stabilizowane w pełni tak jak w przypadku baterii litowo-jonowych. Stały i poważny rozkład elektrolitu nadal zachodzi podczas pracy baterii."

Około pięć lat temu prof. Jiao i jej koledzy zaprojektowali elektrolit, który jednocześnie może stabilizować interfejsy anoda-elektrolit i katoda-elektrolit w komórkach baterii litowo-metalowych, hamując degradację elektrolitu. Ich projekt elektrolitu opiera się na wcześniejszych badaniach mikroskopijnych procesów fizykochemicznych wewnątrz baterii litowo-metalowych.

"Elektrolit jest kluczowym elementem baterii litowo-metalowych, ponieważ może dostosowywać chemię/strukturę SEI i w ten sposób kierować procesem platynowym litowo-metalu, co w rezultacie decyduje o wydajności baterii" - wyjaśniła prof. Jiao.

"Dla celów praktycznych starałyśmy się to osiągnąć, używając tanich komponentów. Liczne prace innych badaczy w tej dziedzinie także nas bardzo zainspirowały, ponieważ wprowadzili oni wiele nowych klas elektrolitów, takich jak elektrolity wysoko skoncentrowane, elektrolity o lokalnie wysokiej koncentracji, elektrolity słabo rozpuszczające i elektrolity gazowe w stanie ciekłym, itp."

Aby przeprowadzić tę ostatnią studium, prof. Jiao i jej zespół badawczy współpracowali z innymi zespołami, które mogły przeprowadzać obliczenia teoretyczne i charakteryzować elektrolity na skalę mikroskopową. Ich wspólne starania ostatecznie doprowadziły do opracowania nowej klasy elektrolitów, które mogą wydłużyć żywotność baterii litowo-metalowych.

Elektrolity, które zaprojektowali, składają się z komercyjnie dostępnych i przystępnych cenowo cząsteczek. Ich charakterystyczną cechą jest ich unikalna struktura solwatacji.

"Struktura solwatacji jest kluczową cechą elektrolitu, ponieważ reguluje zachowanie interfejsowe elektrolitu, takie jak jego mechanizm reakcji na interfejsie, który kontroluje tworzenie SEI i w ten sposób chemię i strukturę SEI" - powiedział prof. Jiao.

'Struktura solwatyzacji elektrolitu była dotąd intensywnie dostosowywana na poziomie mikroskopowym w literaturze naukowej recenzowanej przez rówieśników, zwłaszcza pierwsza warstwa solwatyzacji jonów litu, ale regulacje strukturalne wykraczające poza tę skalę, mianowicie druga warstwa solwatyzacji i dalej, są w dużej mierze pomijane.'

Najnowsze badania przeprowadzone przez prof. Jiao i jej kolegów zapoczątkowały regulację struktury solwatyzacji elektrolitu na poziomie mezoskopowym. Ich unikalny projekt skupia się szczególnie na interakcji między parami jonowymi, które leżą u podstaw tworzenia struktury agregatów elektrolitu.

'Nasz elektrolit charakteryzuje się dużymi zwartymi agregatami, które powstają dzięki gęstememu upakowaniu par jonów litu-anionów z wiązaniami koordynacyjnymi między sobą, które definiujemy jako „zwarty agregat pary jonowej (CIPA),' powiedziała prof. Jiao. 'Stanowi to wyraźny kontrast wobec dominacji małych agregatów i oddzielnych par jonów w zlokalizowanym elektrolicie wysokiej koncentracji, będącym najnowocześniejszą klasą elektrolitu o wiodącej dotychczas wydajności baterii, otwierając nową drogę dla projektowania elektrolitu.'

Należy zauważyć, że nowy elektrolit zaprojektowany przez ten zespół badawczy wykazuje unikalną zbiorową redukcję na anodzie metalu litu. Oznacza to, że chmury anionów w strukturze CIPA są szybko redukowane (tj. rozkładane) na powierzchni litu, tworząc związki nieorganiczne takie jak Li2O i LiF, a także cienką i stabilną SEI, która z kolei hamuje stały rozkład elektrolitu.

'Dzięki unikalnemu zachowaniu zbiorowej przewagi elektronowej, nasz elektrolit tworzy cienką i konforemną SEI o niskiej zawartości organicznej i bogatą w składniki nieorganiczne z jednolitym rozprowadzeniem, co może sprzyjać homogenicznemu przepływowi jonów litu wewnątrz SEI i depozycji litu bez dendrytów,' powiedziała prof. Jiao. 'To prowadzi do homogenicznej i zwartej depozycji litu, co zmniejsza powierzchnie Lit metalowej anody, aby dalej hamować rozkład elektrolitu.'

Ponadto, nowo zaprojektowany elektrolit badaczy jednocześnie wykazuje dobrą stabilność oksydacyjną i hamuje rozpuszczanie się pierwiastków metali przejściowych z katody, poprawiając tym samym stabilność interfejsu katody. Stabilizacja tego interfejsu, wraz z interfejsem lit-elektrolitu, przekłada się na stabilne cykle przez długi czas.

'Struktura mezoskopowa solwatyzacji wprowadzona w naszym artykule prowadzi do nowej klasy elektrolitów, otwierając nową drogę dla projektowania elektrolitów baterii litowo-metalowych,' powiedziała prof. Jiao.

Aby ocenić potencjał ich nowo zaprojektowanego elektrolitu, badacze użyli go do stworzenia komórki kieszonkowej litowo-metalowej o pojemności 500 Wh/kg. W początkowych testach, ta komórka okazała się zachowywać 91% swojej energii po przejściu 130 cykli. W przyszłości ten nowy design elektrolitu mógłby być reprodukowany i testowany przez innych badaczy na całym świecie, aby dalszo ocenić jego potencjalny wpływ na wydłużenie żywotności baterii litowo-metalowych.

'Planujemy teraz dalsze przedłużanie cykli życia 500 Wh/kg komórek kieszonkowych litowo-metalowych do ponad 1,000 cykli,' dodała prof. Jiao. 'Z drugiej strony, ciągle eksplorujemy nowy system baterii, aby zrealizować znacznie wyższą gęstość energii przy długiej żywotności, taką jak ≥ 600 Wh/kg z 100-200 cyklami. Wszystkie te podstawowe badania naukowe są cenne dla wdrożenia baterii litowo-metalowych w różnych sytuacjach.'