Електрохіміки створили ефективний водний електроліт для Li-ion акумуляторів

Американські електрохіміки з Університету Меріленду і дослідницької лабораторії армії США створили новий ефективний водний електроліт для літій-іонних акумуляторів. На основі запропонованого електроліту вчені створили прототип акумулятора, напруга між електродами якого становить 2,3 вольта, і протестували його стабільність при тисячі циклів розрядки-зарядки. Результати роботи опубліковані в.

Проблеми безпеки використання та екологічності літій-іонних акумуляторів виникають в основному від їх неводних електролітів. Використання водних альтернатив обмежено вузьким вікном електрохімічної стабільності, ширина якого обумовлена електролізом води і становить 1,23 вольта, що значно обмежує область практичного застосування акумуляторів з подібним електролітом. На сьогоднішній день рекордним значенням напруги для стабільного водного літій-іонного акумулятора, що не піддається значній саморозрядці через електролізу води, було 1,5 вольта.

У даній роботі дослідники в якості основного способу підвищення електрохімічної стабільності використовують захисту електродів шляхом утворення твердої електролітної інтерфази на них. Ця інтерфаза забезпечує іонну провідність по літію, але обмежує електронну провідність. Утворення інтерфази відбувається на аноді при розкладанні електроліту, в якості якого вчені використовували біс-трифторметансульфонілімід літію (LiTFSI), під час первинного процесу зарядки акумулятора. Комбінація збільшення стабільності через утворення інтерфази і зниження електрохімічної активності води через високу концентрацію солі в електроліті (понад 20 моль на кілограм води) призводить до збільшення вікна стабільності до 3,0 вольт.

На основі запропонованого електроліту вчені створили прототип акумулятора, в якому в якості електродних матеріалів використовували літій-марганцеву шпинель LiMn₂O₄ і сульфід молібдену Mo₆S₈. Різність потенціалів між електродами в зарядженому стані становить 2,3 вольта.

Вчені досліджували стабільність акумулятора при різних швидкостях розрядки від 0,15C до 4,5C (1C еквівалентно повній розрядці за одну годину): після тисячі циклів зарядки-розрядки зі швидкістю 4,5C ємність акумулятора знижується лише на 32 відсотки від початкової, а після ста циклів зі швидкістю розрядки 0,15C - на 22 відсотки. Вихід за струмом (відношення фактично пропущеного через електроліт заряду до теоретично необхідного для здійснення фактично спостережуваного масопереноса) незалежно від швидкості розрядки зберігається близьким до ста відсотків.

Максимальна ємність акумуляторів, отримана дослідниками в даній роботі, становить 84 ват-години на кілограм електродної маси для співвідношення катодної/анодної мас 2:1 (маса катода збільшена для компенсації утворення твердої інтерфази на аноді) або 100 ватт-годин на кілограм при співвідношенні 1:1 (коли як анод використовується заздалегідь приготовлений композит Mo6S8/інтерфаза). Для порівняння, середня ємність у неводних акумуляторів становить 240 ватт-годин на кілограм.

Вчені відзначають, що використані ними електродні матеріали не задіють все вікно електрохімічної стабільності осередку, тому при підборі відповідних матеріалів можливе подальше збільшення потужності і ємності акумулятора.