Различные типы электролитов и их влияние на производительность литий-ионных аккумуляторов
Электролит – это раствор, которым в Li-ion аккумуляторах пропитывают пористый сепаратор между электродами. Он становится средой для переноса заряда от катода к аноду и обратно, обеспечивая протекание прямой и обратной химических реакций. Благодаря этому обеспечивается возможность заряда и разряда аккумулятора для его эффективного использования в циклическом режиме.
От свойств электролитического раствора напрямую зависят энергетические характеристики элементов питания, ведь он выступает одновременно и проводников ионов лития, и вместилищем заряда. Наряду с жидкими растворами, при создании новых элементов питания все чаще применяются ионопроводящие материалы с твердой, полимерной или гелеобразной структурой.
Типы электролитов
При изготовлении аккумуляторов литий-ионного типа в основном применяют жидкие электролиты, содержащие апротонные диполярные растворители, например, этилен-карбонат, диэтилкарбонат или диметилкарбонат. При их использовании номинальный вольтаж Li-ion элементов питания составляет 3,6 или 3,7 В на ячейку, а рабочий диапазон – от 2,5–3 до 4,2 В.
Такие растворы практически без изменений используют с 1990-х годов. Во избежание протечек жидкого вещества применяют герметичные металлические корпуса. При напряжении выше 4,3 В этилен-карбонат начинает разлагаться и гореть. Поэтому Li-ion батареи недопустимо перезаряжать, а для их безопасной эксплуатации обязательно наличие BMS платы защиты и мониторинга рабочих параметров.
К тому же, популярные электролиты реагируют с литием из активной массы на электродах. Это приводит к постепенному появлению металлических наростов – дендритов, которые со временем образуют длинные цепи и препятствуют движению электронов. Из-за этого аккумуляторная батарея хуже держит заряд, становится неработоспособной и даже может воспламениться. Поэтому ученые продолжают экспериментировать с новыми электролитическими составами, и некоторые из них позволили значительно улучшить характеристики литий-ионных элементов.
Новые разработки
В Университете Токио создали новый электролит, при использовании которого возросло рабочее напряжение, и повысилась емкость аккумов. Фторированный циклический фосфат сохраняет стабильность до напряжения 4,9 В, а значит, при тех же размерах аккумуляторной батареи с новым электролитическим материалом будет накапливаться больше энергии.
Для увеличения производительности АКБ нужно расширить рабочую поверхность электродов, но этому препятствует проблема дендритов. В поисках компромисса изобретатели используют разные электролитические добавки, замедляющие рост дендритов. А в Тихоокеанской Северо-западной Национальной Лаборатории создали новую формулу электролитного раствора. Она одновременно и препятствует появлению дендритов, и вдвое увеличивает производительность элементов питания, и обеспечивает увеличенную в 10 раз емкость, по сравнению с современными аналогами.
В поисках новой формулы исследователи работали с кремнийорганическими соединениями. В результате экспериментов исследователи отметили отсутствие металлических наростов, наличие исключительно тонкого слоя литиевых узелков на аноде, сохранение 98,4% исходной емкости после 1000 рабочих циклов и плотность тока ≈4мА/см2. В дальнейшем ученые планируют упростить структуру элементов питания: убрать анод и возложить его функции на новый электролитический состав. Реализация этой идеи позволит удешевить производство Li-ion источников тока, сделать их еще более компактными и безопасными в эксплуатации.
Гель-полимерные формулы
Кроме электролитических жидкостей, ученые исследуют возможности применения гель-полимеров. Такие разработки позволяют снизить производственные затраты и экологические риски, повысить эластичность и адгезию состава. Основой для изготовления гель-полимеров выступает дисперсия сополимера винилацетата/акрилата в неводных органических растворителях в таких пропорциях массы сухого вещества:
- 15–30% безводной ионогенной неорганической соли лития, к примеру, LiClO4, LiPF6, LiN (CF3SO2)2, LiAsF6 или LiCF3SO3;
- 30–40% растворителя;
- 30–55% сополимера.
Полимерные электролитные материалы различаются по характеристикам и составу, но все они содержат полимеры, способные внедрять соли лития. Например, это могут быть полиэфируретандиакрилаты и краун-эфиры с безводным раствором соли лития. Такие материалы пластичны и позволяют получать ХИТ произвольной формы.
Наиболее популярны гелевые варианты. В их структуре есть пространственная сетка из макромолекул или их агрегатов. В этой сетке распределен раствор соли лития в апротонном диполярном растворителе. Такие виды электролитических составов отличаются хорошей проводимостью, как у жидких неводных растворов (от 10-3 до 10-4 Ом-1·см-1). Механические характеристики у них средние.Электролиты на базе сополимеров полиакрилата с винилацетатом выгодно отличаются от гель-полимерных формул с чистыми полиакрилатами. Они обеспечивают лучшую электропроводность, имеют меньшую вязкость, а сополимеры лучше растворяются в неводных растворителях. В результате АКБ на основе сополимеров имеют улучшенные электрохимические качества и выдерживают многочисленные циклы заряд-разряд при плотности тока до 2С.
Твердые электролиты
При производстве элементов питания Li-ion типа используют также электролитные материалы в твердой форме. В частности, изобретатели применяют твердые керамические электролиты из оксидов лития, ионопроводящие стеклообразные вещества и композитные составы. Они обеспечивают хорошую проводимость благодаря содержанию лития и упорядоченной кристаллической структуре с транспортными каналами. В итоге исключается риск утечки жидкого раствора и повышается безопасность эксплуатации АКБ.
Выводы
Поиски идеального электролита продолжаются, ведь именно его характеристики играют важную роль в совершенствовании Li-ion элементов. Ученые экспериментируют с разными видами ионопроводящих материалов: жидкими, твердыми, гель-полимерными. Работа с новыми составами – процесс трудоемкий и длительный, но постепенно на смену нынешним технологиям приходят более эффективные решения.
