Elektrolyty na bázi fosfazenu pro vysokonapěťové lithiové baterie, které pracují v extrémních prostředích
Lithiové kovové baterie mají oproti jiným stávajícím bateriovým systémům řadu pozoruhodných výhod, včetně vysoké hustoty energie. Nicméně použití většiny existujících vysokoenergetických lithiových kovových baterií v extrémních prostředích je obvykle považováno za nebezpečné nebo neproveditelné kvůli těkavosti a hořlavosti jejich elektrolytů.
Výzkumníci z Bar-Ila University, University of Technology Sydney, CIC energiGUNE a Tsinghua University se nedávno rozhodli vyvinout nové elektrolyty, které by mohly podporovat bezpečný a stabilní provoz lithiových kovových baterií v širším rozsahu podmínek prostředí. Tyto elektrolyty, představené v Nature Energy, byly syntetizovány pomocí ohnivzdorných polymerních matric odvozených od fosfazenu.
"Náhrada grafitických anod kovovým je považována za schůdnou cestu k dalšímu zvýšení energetické hustoty lithiových baterií," řekl Tech Xplore profesor Doron Aurbach, jeden z výzkumníků, kteří studii provedli.
"Nicméně růst dendritů na Li anodě během cyklování spouští katastrofální bezpečnostní rizika, která vážně brání jejich praktickým aplikacím. K vyřešení tohoto problému byly v Li-kovových bateriích široce používány elektrolyty na bázi etheru, protože mají relativně nízkou reaktivitu s Li kovem." ."
Roztoky elektrolytů na bázi etheru mají nízkou viskozitu a vysokou iontovou vodivost. Tyto příznivé vlastnosti mohou usnadnit rychlé vedení Li-iontů a výměnu mezifázového náboje v lithiových bateriích.
Elektrolyty na bázi etheru jsou také vysoce kompatibilní s kovovými anodami Li, takže mohou potlačit růst dendritů během nabíjení baterií. Navzdory těmto výhodám je mnoho etherových rozpouštědel vysoce hořlavých, takže jejich použití může značně snížit bezpečnost bateriových článků.
"Nízké body varu etherů představují bezpečnostní rizika včetně požáru, výbuchu a úniku kapaliny," řekl Doron. "Kromě toho může nedostatečná oxidační stabilita elektrolytů na bázi etheru vést k nekontrolovatelnému rozkladu rozpouštědla na povrchu katody při vysokém napětí (>4 V vs. Li/Li + ), což značně zhoršuje cyklovatelnost vysokonapěťových Li kovových baterií."
V posledních letech některé výzkumné týmy zavedly také lokalizované vysokokoncentrační elektrolyty, které omezují volné molekuly rozpouštědla v solvatačních strukturách Li + . I když tyto alternativní elektrolyty mohou zkrátit dobu potřebnou k uhašení případného požáru, neodstraňují plně riziko požáru nebo úniku.
"Polyfosfazenové zpomalovače hoření s vynikajícími účinky zpomalujícími hoření byly široce používány v oblasti polymerních zpomalovačů hoření," řekl Doron. "V kombinaci s lokalizovanými vysokokoncentrovanými elektrolyty mohou hybridy polyfosfazenu účinně zlepšit účinek zpomalující hoření s nízkým obsahem přísad. A bezpečnost plných článků může být do značné míry podporována."
Profesor Guoxiu Wang a jejich kolegové ve svém nedávném článku představili novou všestrannou strategii pro optimalizaci elektrolytů na bázi éteru, která zabrání jejich vznícení nebo úniku a zároveň zlepší jejich kompatibilitu s elektrodami. Tato strategie zahrnuje rozpouštědlo a gelovatění za použití butenoxycyklotrifosfazenových (BCPN) monomerů.
"Pro vyřešení inherentních nevýhod hořlavosti a špatné oxidační stability pro elektrolyt na bázi etheru byl fluoromethyl 1,1,1,3,3,3-hexafluorisopropylether (SFE) zaveden jako rozpouštědlo (sloužil jako anti-rozpouštědlo ) s etherovým rozpouštědlem pro zlepšení odolnosti proti oxidaci a stability katod,“ řekl Wang. "Pak byly tyto binární elektrolyty gelovány in situ polymerací monomerů BCPN, aby se dosáhlo zpomalení hoření a kompatibility rozhraní."
V počátečních testech Wang a jeho spolupracovník Dr. Dong Zhou zjistili, že jejich navrhovaná úprava pomocí fluorovaného rozpouštědla a ohnivzdorných polymetrických matric plně eliminovala riziko požáru a úniku elektrolytu v lithiových kovových bateriích. Tým byl také schopen dosáhnout elektrolytů, které jsou vysoce kompatibilní s vysokoenergetickými katodami pomocí pečlivě navrženého solvatačního pláště Li + spolu s ochrannými povrchovými filmy odvozenými od BCPN vytvořenými na katodách.
"Vyrobili jsme baterie Li||NCM811 s vysokou energetickou hustotou za použití našeho gelového elektrolytu a tyto baterie dosáhly zachování vysoké kapacity, vynikajícího výkonu při nízkých teplotách, dobré cyklovatelnosti při vysokém tlaku a stabilního napájení za nevhodných podmínek," Dr. Dong Zhou řekl. "Úspěšně jsme vyřešili bezpečnostní problém pro vysokoenergetické lithiové kovové baterie."
Nedávná práce tohoto týmu výzkumníků by mohla mít důležité důsledky pro vývoj lithiových baterií nové generace. Elektrolyty představené v Nature Energy a jejich podpůrná designová strategie by mohly brzy otevřít novou cestu pro výrobu vysoce energetických, odolných a bezpečně dobíjecích Li kovových baterií, které mohou fungovat v extrémních prostředích .
„V našich dalších studiích máme v úmyslu pokračovat ve výzkumu zlepšování bezpečnosti baterií a výkonu při nízkých teplotách, což by pomohlo rozšířit extrémní prostředí použití baterií s vysokou hustotou energie, například umožnit jejich integraci do leteckých dopravních prostředků, ponorek a zařízení polárních oblastí. “ dodal Wang.
