Американские электрохимики из Университета Мэриленда и исследовательской лаборатории армии США создали новый эффективный водный электролит для литий-ионных аккумуляторов. На основе предложенного электролита ученые создали прототип аккумулятора, напряжение между электродами которого составляет 2,3 вольта, и протестировали его стабильность при тысяче циклов разрядки-зарядки. Результаты работы опубликованы в Science.
Проблемы безопасности использования и экологичности литий-ионных аккумуляторов возникают в основном от их неводных электролитов. Использование водных альтернатив ограничено узким окном электрохимической стабильности, ширина которого обусловлена электролизом воды и составляет 1,23 вольта, что значительно ограничивает область практического применения аккумуляторов с подобным электролитом. На сегодняшний день рекордным значением напряжения для стабильного водного литий-ионного аккумулятора, не подвергающегося значительной саморазрядке из-за электролиза воды, было 1,5 вольта.
Новый класс водных литий-ионных аккумуляторов с широким окном стабильности ячейки. Изображение: Dr. Kang Xu / U.S. Army Research Laboratory
В данной работе исследователи в качестве основного способа повышения электрохимической стабильности используют защиты электродов путем образования твердой электролитной интерфазы на них. Эта интерфаза обеспечивает ионную проводимость по литию, но ограничивает электронную проводимость. Образование интерфазы происходит на аноде при разложении электролита, в качестве которого ученые использовали бис-трифторметансульфонилимид лития (LiTFSI), во время первичного процесса зарядки аккумулятора. Комбинация увеличения стабильности из-за образования интерфазы и понижения электрохимической активности воды из-за высокой концентрации соли в электролите (более 20 моль на килограмм воды) приводит к увеличению окна стабильности до 3,0 вольт.
На основе предложенного электролита ученые создали прототип аккумулятора, в котором в качестве электродных материалов использовали литий-марганцевую шпинель LiMn2O4 и сульфид молибдена Mo6S8. Разность потенциалов между электродами в заряженном состоянии составляет 2,3 вольта.
Ученые исследовали стабильность аккумулятора при различных скоростях разрядки от 0,15C до 4,5C (1C эквивалентно полной разрядке за один час): после тысячи циклов зарядки-разрядки со скоростью 4,5C емкость аккумулятора снижается лишь на 32 процента от первоначальной, а после ста циклов со скоростью разрядки 0,15C — на 22 процента. Выход по току (отношение фактически пропущенного через электролит заряда к теоретически необходимому для осуществления фактически наблюдаемого массопереноса) вне зависимости от скорости разрядки сохраняется близким к ста процентам.
Максимальная емкость аккумуляторов, полученная исследователями в данной работе, составляет 84 ватт-часа на килограмм электродной массы для соотношения катодной/анодной масс 2:1 (масса катода увеличена для компенсации образования твердой интерфазы на аноде) или 100 ватт-часов на килограмм при соотношении 1:1 (когда в качестве анода используется заранее приготовленный композит Mo6S8/интерфаза). Для сравнения, средняя емкость у неводных аккумуляторов составляет 240 ватт-часов на килограмм.
Ученые отмечают, что использованные ими электродные материалы не задействуют все окно электрохимической стабильности ячейки, поэтому при подборе соответствующих материалов возможно дальнейшее увеличение мощности и емкости аккумулятора.
Автор: Евгений Анохин
