В современных литий-ионных батареях основная проблема заключается в жидком электролите. Этот ключевой компонент батареи переносит частицы, несущие заряд, называемые ионами, между двумя электродами батареи, заставляя батарею заряжаться и разряжаться. Но жидкость начинает замерзать при минусовых температурах. Это условие серьезно ограничивает эффективность зарядки электромобилей в холодных регионах и в холодное время года.

Чтобы решить эту проблему, группа ученых из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США и национальной лаборатории Лоуренса Беркли разработала фторсодержащий электролит, который хорошо работает даже при минусовых температурах.

"Наша команда не только нашла электролит-антифриз, эффективность зарядки которого не снижается при температуре минус 4 градуса по Фаренгейту, но мы также обнаружили на атомном уровне, что делает его таким эффективным", - сказал Чжэнчэн "Джон" Чжан, старший химик и руководитель группы в отделе химических наук и инженерии Аргоннского университета.

Этот низкотемпературный электролит перспективен для использования в аккумуляторах электромобилей, а также в качестве накопителя энергии для электросетей и бытовой электроники, такой как компьютеры и телефоны.

В современных литий-ионных батареях электролит представляет собой смесь широко доступной соли (гексафторфосфата лития) и карбонатных растворителей, таких как этиленкарбонат. Растворители растворяют соль, образуя жидкость.

Когда аккумулятор заряжен, жидкий электролит переносит ионы лития от катода (оксид, содержащий литий) к аноду (графит). Эти ионы мигрируют из катода, затем проходят через электролит на пути к аноду. При прохождении через электролит они располагаются в центре кластеров из четырех или пяти молекул растворителя.

Во время первых нескольких зарядов эти кластеры ударяются о поверхность анода и образуют защитный слой, называемый межфазой твердого электролита. После формирования этот слой действует как фильтр. Это позволяет проходить через слой только ионам лития, блокируя молекулы растворителя. Таким образом, анод способен сохранять атомы лития в структуре графита при зарядке. При разряде электрохимические реакции высвобождают электроны из лития, которые вырабатывают электричество, способное приводить в действие транспортные средства.

Проблема в том, что при низких температурах электролит с карбонатными растворителями начинает замерзать. В результате он теряет способность транспортировать ионы лития к аноду при зарядке. Это происходит потому, что ионы лития очень плотно связаны внутри кластеров растворителя. Следовательно, этим ионам требуется гораздо больше энергии для эвакуации своих кластеров и проникновения в пограничный слой, чем при комнатной температуре. По этой причине ученые искали лучший растворитель.

Команда исследовала несколько фторсодержащих растворителей. Они смогли определить состав, который обладал самым низким энергетическим барьером для высвобождения ионов лития из кластеров при минусовой температуре. Они также определили в атомном масштабе, почему именно этот состав работает так хорошо. Это зависело от положения атомов фтора в каждой молекуле растворителя и их количества.

При тестировании с лабораторными элементами фторированный электролит команды сохранял стабильную емкость аккумулятора энергии в течение 400 циклов заряда-разряда при температуре минус 4 ° F. Даже при такой минусовой температуре емкость была эквивалентна емкости элемента с обычным электролитом на основе карбоната при комнатной температуре.

"Таким образом, наше исследование продемонстрировало, как адаптировать атомную структуру растворителей для электролитов для разработки новых электролитов для минусовых температур", - сказал Чжан.

Электролит-антифриз обладает дополнительным свойством. Это намного безопаснее, чем используемые в настоящее время электролиты на основе карбоната, поскольку они не загорятся.

"Мы патентуем наш низкотемпературный и более безопасный электролит и сейчас ищем промышленного партнера для адаптации его к одному из их проектов литий-ионных аккумуляторов", - сказал Чжан.

Это исследование опубликовано в Передовые энергетические материалы. В дополнение к Джону Чжану авторами Argonne являются Дон Чжу Ю, Цянь Лю и Минкю Ким. Авторами из лаборатории Беркли являются Орион Коэн и Кристин Перссон.

Эта работа была профинансирована Управлением Министерства энергетики по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии, Управлением транспортных технологий.