Новый электролит может помочь батареям электромобилей противостоять холоду

Растущая плотность энергии литий-ионных аккумуляторов с течением времени привела к появлению электромобилей с увеличенным запасом хода. Но этот запас хода резко падает вместе с температурой зимой. Такое падение производительности аккумулятора является одной из причин, по которой клиенты часто ссылаются на нежелание покупать электромобиль.

Изменив конструкцию электролита батареи, исследователи теперь создали батарею, которая работает при температурах до -20 °C. По сравнению с другими батареями для холодной погоды, о которых исследователи уже сообщали, эта имеет рекордный срок службы — более года.

Современные аккумуляторы хорошо работают при температуре от 0 °C до 40 °C. Для более широкого распространения разработчики стремятся создать батареи, работающие в более широком диапазоне температур: от -40 °C до 60 °C. «Высокая плотность энергии и длительный срок службы литий-ионных аккумуляторов при низких температурах являются ключом к разработке всеклиматических электромобилей», — говорит Чонг Ян из Пекинского технологического института.

Чтобы батареи работали на морозе, сегодня производители добавляют внешнюю изоляцию и обогрев. Но это также увеличивает объем, а перевозка этого дополнительного веса снижает запас хода. Кроме того, он не идеален для аккумуляторов, работающих в холодную погоду, для приложений, чувствительных к весу, таких как высотные дроны и спутники.

Многие исследователи пытаются улучшить характеристики аккумуляторов при низких температурах, сосредоточив внимание на электролитах, которые перемещают ионы лития между электродами аккумулятора. Холодные температуры загущают эти электролиты, поэтому ионы движутся медленнее, что приводит к потере емкости и медленной зарядке. Некоторые команды недавно использовали низкотемпературные растворители для производства электролитов или тестировали химические добавки в электролитах, которые помогают улучшить их холодоустойчивость. Другие разработали совершенно новые электролиты, способные выдерживать широкий диапазон температур.

Ян вместе с Цян Чжаном из Университета Цинхуа и их коллегами сосредоточился на подходе с использованием низкотемпературных растворителей. Хотя такие растворители улучшают работу в холодную погоду, известно, что при высоких температурах они выделяют газы, которые сокращают срок службы батареи. «Тем не менее, механизм образования газа и соответствующая стратегия ингибирования остаются неизвестными», — говорит Ян.

В своей статье, опубликованной в журнале Matter, исследователи теперь раскрывают механизм образования газа и предлагают новый электролит с высокой концентрацией, который они разработали в качестве обходного пути для решения этой проблемы.

Они обнаружили, что литиевое покрытие — накопление металлического лития на поверхности графитового анода батареи — является причиной образования газа. При зимних температурах, поскольку ионы лития движутся медленно, они имеют тенденцию скапливаться при попадании из электролита в графит, поэтому некоторое количество металлического лития со временем накапливается на поверхности. Исследователи обнаружили, что обычно используемый низкотемпературный растворитель этилацетат бурно реагирует с этим нанесенным литием, что приводит к образованию газов водорода и этана. Давление скопившегося газа в конечном итоге приводит к растрескиванию электродов и выходу батареи из строя.

Чтобы бороться с образованием газа, исследователи создали электролит, растворив большее, чем обычно, количество солей лития в растворителе, состоящем из 90 процентов этилацетата и 10 процентов фторэтиленкарбоната.

Затем исследователи создали аккумуляторный элемент с этим электролитом, графитовым анодом и катодом NMC811, который состоит из 80 процентов никеля, 10 процентов кобальта и 10 процентов марганца. Катоды NMC811 используются в современных высокопроизводительных литий-ионных батареях из-за их высокой плотности энергии и минимального использования дорогого кобальта.

«Все материалы, которые мы используем, коммерчески доступны, и предлагаемый электролит целесообразно производить в больших масштабах», — говорит Ян, что делает новый подход легко применимым к сегодняшним обычным химическим составам аккумуляторов и производственным процессам.

Исследователи показывают, что использование этилацетата в качестве основного растворителя позволяет аккумулятору работать при температуре до -40 °C. Тем временем соль лития реагирует с фторэтиленкарбонатом, образуя на аноде твердый слой, который проводит ионы лития, но также защищает любой металлический литий, который неизбежно покрывает поверхность. Защитный слой предохраняет литий от реакции с этилацетатом и образования газов.