Арктический аккумулятор: минус 20 — нет проблем!

Если вы владеете электромобилем или думаете о его покупке, то наверняка задавались вопросом: как поведет себя батарея в холодную погоду? Сможет ли она заряжаться и выдавать достаточно энергии при минусовых температурах? Оказывается, что современные литий-ионные батареи имеют серьезный недостаток, связанный с жидким электролитом — веществом, которое передает заряд между электродами. Жидкость замерзает при низких температурах и теряет свою проводимость. Это снижает эффективность зарядки и разрядки батареи и создает проблемы для водителей электромобилей в холодных регионах и сезонах.


Но ученые из США нашли способ решить эту проблему. Они разработали новый электролит на основе фторсодержащих растворителей, который хорошо работает даже при минусовых температурах.


— Джэнчэн Чжан, старший химик и руководитель группы в отделе химических наук и инженерии Национальной лаборатории Аргонна Министерства энергетики США.

Чтобы понять, как работает новый электролит, нужно знать, что происходит в литий-ионной батарее при зарядке и разрядке. Батарея состоит из двух электродов — катода (положительный заряд) и анода (отрицательный заряд). Между ними находится жидкий электролит, который содержит соль (гексафторфосфат лития) и растворитель (обычно карбонат). Растворитель растворяет соль и образует жидкость, которая передает ионы лития — частицы с электрическим зарядом — между электродами.

Когда батарея заряжается, ионы лития переходят из катода, который содержит литий-оксид, в анод, который состоит из графита. При этом они проходят через электролит и образуют кластеры из четырех или пяти молекул растворителя. Когда они достигают анода, они сталкиваются с его поверхностью и образуют защитный слой, называемый интерфазой твердого электролита. Этот слой пропускает только ионы лития и блокирует молекулы растворителя. Таким образом, анод может хранить атомы лития в своей структуре при зарядке. При разрядке происходит обратный процесс: ионы лития возвращаются в катод, высвобождая электроны, которые вырабатывают электричество.

Проблема в том, что при низких температурах электролит с карбонатным растворителем начинает замерзать. В результате он теряет способность переносить ионы лития в анод при зарядке. Это потому, что ионы лития так тесно связаны внутри кластеров растворителя. Следовательно, им нужно больше энергии, чтобы выйти из своих кластеров и пройти через интерфазный слой, чем при комнатной температуре. Поэтому ученые искали другой растворитель, который бы не замерзал при минусовых температурах.

Команда ученых из Национальных лабораторий Аргонна и Лоуренса Беркли исследовала несколько фторсодержащих растворителей. Они смогли подобрать состав, который имел самый низкий энергетический барьер для высвобождения ионов лития из кластеров при минусовой температуре. Они также выяснили, почему этот конкретный состав работает так хорошо. Это зависит от положения атомов фтора в каждой молекуле растворителя и их количества.

Для того, чтобы изучить структуру сольватации в разных электролитах, ученые использовали метод ядерно-магнитного резонанса (ЯМР). Это техника, которая позволяет определить расположение и взаимодействие атомов в молекулах. Для этого аппарат ЯМР создает магнитное поле и подает радиоволны на образцы электролитов. Атомы в этих образцах начинают вращаться и отдавать энергию. Измеряя эту энергию, можно сделать выводы о химическом составе и свойствах электролитов.

Ученые обратили внимание на атомы фтора, которые есть в соли PF 6 - (гексафторфосфат). Эта соль добавляется в электролиты, чтобы они могли проводить заряд. Атомы фтора реагируют на ЯМР очень чувствительно и показывают, как они связаны с другими атомами. Ученые сравнили разные электролиты с разными растворителями и разными количествами соли. Они обнаружили, что атомы фтора могут быть расположены по-разному в зависимости от того, какие молекулы их окружают и как они соединяются с ионами лития. Это помогло им понять, какие электролиты лучше подходят для работы батарей при низких температурах.

При испытаниях с лабораторными элементами фторсодержащий электролит команды сохранял стабильную емкость накопления энергии в течение 400 циклов разряда при минус 20 градусов по Цельсию. Даже при этой температуре, емкость была эквивалентна емкости ячейки с обычным карбонатным электролитом при комнатной температуре.


— Джэнчэн Чжан.

Новый электролит имеет еще одно преимущество: он намного безопаснее, чем используемые в настоящее время карбонатные электролиты, поскольку они не воспламеняются. Это важный аспект для предотвращения пожаров и взрывов в случае повреждения батарей.