Органичен електролит прави литиево-металните батерии безопасни, бързи и издръжливи: 82% капацитет след 400 цикъла

Изследователи от Корейския институт за модерни технологии (KAIST) представиха разработка, която може да ускори въвеждането на литиево- металните батерии (LMB) – обещаващ заместител на традиционните литиево-йонни батерии. Откритията описват нов клас електролити на основата на органични соли, които се справят с основните предизвикателства пред LMB: ниска стабилност, бавно зареждане и рискове от пожар.

„Осъществяването на LMB изисква електролит, който съчетава незапалимост с висока електрохимична стабилност“, отбелязват в статията си Акито Сакай, Йосуке Мацумото и техните колеги. – Въпреки че съвременните технологии подобриха поведението на такива батерии при циклично зареждане, създаването на електролити, които осигуряват едновременно висока скорост на зареждане и безопасност, остава голямо предизвикателство.“

Литиево-металните батерии, които теоретично могат да съхраняват 50-70% повече енергия от литиево-йонните си аналози, досега се сблъскваха с проблеми, свързани с деградацията, дължаща се на растежа на дендритите – игловидни структури от литий, които предизвикват къси съединения. Освен това зареждането им отнема 3-5 пъти повече време. Електролитът с органичната сол Pyr22FSI решава два основни проблема: предотвратява късите съединения и намалява времето за зареждане до нивото на литиево-йонните аналози

Ключовото предимство на разработката е намаляването с 40% на енергийната бариера за десолвация – литиевите йони се нуждаят от по-малко енергия, за да се „освободят“ от молекулите на електролита, докато се движат към електродите. Това ускорява движението им, което увеличава скоростта на зареждане на батерията и намалява прегряването. Освен това електролитът инициира образуването на стабилен междуфазов слой от твърд електролит (SEI) с дебелина 12-15 nm в анода. Този нанокомпозитен слой, обогатен с флуориди и сулфонамиди, потиска растежа на дендритите и химичните странични реакции.

При тестовете новите батерии запазват 82,3% от първоначалния си капацитет дори след 400 пълни цикъла на зареждане и разреждане – два пъти по-добре от предишните им литиево-метални аналози. Експериментът е проведен върху клетки с подобрен катод (състав: никел, кобалт, манган) и увеличен литиев резерв. Клетките постигнаха рекордна мощност от 639,5 W/kg – ниво, достатъчно за електрически автомобили със свръхбързо зареждане. В същото време батериите успешно преминаха теста за пробиване с пирон, като запазиха температурата си под 45°C благодарение на незапалимостта на електролита.

„Нашата разработка предлага жизнеспособен подход за създаване на безопасни LMB с висока скорост на циклите“, казват изследователите. – Това проправя пътя за индустриалното им приложение в транспортния и енергийния сектор.“

Учените вече са подали заявки за международни патенти и водят преговори с водещите производители на батерии. Ако технологията придобие мащаби, до 2028 г. ще можем да видим електромобили с пробег от 800-1000 км, които ще се зареждат за 10-15 минути. Преди пускането на пазара обаче производственият процес ще трябва да бъде оптимизиран: цената на новите електролити все още е с 30% по-висока от тази на стандартните решения.