Ингредиентом многих зубных паст является фторид натрия, соединение фтора. Его добавляют для защиты зубов от кариеса. Но соединения, содержащие фтор, имеют и другие практические применения, которые могут вас удивить. Ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США обнаружили фторидный электролит, который может защитить батарею следующего поколения от снижения производительности.
Химический состав нелитий-ионных аккумуляторов обеспечивает вдвое или более энергии, хранящейся в заданном объеме или весе, по сравнению с литий-ионными. Они могли приводить в действие автомобили на гораздо большие расстояния и даже могли приводить в действие дальнемагистральные грузовики и самолеты в один прекрасный день. Ожидается, что широкое использование таких батарей поможет решить проблему изменения климата. Основная проблема заключается в том, что их высокая плотность энергии быстро снижается при многократном заряде и разряде.
Один из основных претендентов имеет анод (отрицательный электрод) из металлического лития вместо графита, обычно используемого в литий-ионных батареях. Таким образом, его называют «литий-металлической» батареей. Катод (положительный электрод) представляет собой оксид металла, содержащий никель, марганец и кобальт (NMC). Несмотря на то, что он может обеспечить более чем вдвое большую плотность энергии, возможную с литий-ионным аккумулятором, эта выдающаяся производительность быстро исчезает менее чем за сотню циклов зарядки-разрядки.
Решение команды включало замену электролита, жидкости, через которую ионы лития перемещаются между катодом и анодом для осуществления заряда и разряда. В литий-металлических батареях электролит представляет собой жидкость, состоящую из литийсодержащей соли, растворенной в растворителе. Источник проблемы короткого срока службы заключается в том, что электролит не образует адекватного защитного слоя на поверхности анода в течение первых нескольких циклов. Этот слой, также называемый интерфазой твердого электролита (SEI), действует как хранитель, позволяя ионам лития свободно входить и выходить из анода для зарядки и разрядки аккумулятора соответственно.
Команда обнаружила новый фторидный растворитель, который поддерживает надежный защитный слой в течение сотен циклов. Он соединяет фторированный компонент, который положительно заряжен (катион) , с другим фторированным компонентом, который заряжен отрицательно (анион) . Эту комбинацию ученые называют ионной жидкостью — жидкостью, состоящей из положительных и отрицательных ионов.
«Ключевым отличием нашего нового электролита является замена атомов водорода фтором в кольцеобразной структуре катионной части ионной жидкости», — сказал Чжан. «Это имело решающее значение для поддержания высокой производительности в течение сотен циклов в тестовом литий-металлическом элементе».
Как объяснил Чжан, моделирование на суперкомпьютере ALCF Theta показало, что катионы фтора прилипают к поверхности анода и катода и накапливаются на них перед любым циклом заряда-разряда. Затем, на ранних стадиях цикла, образуется упругий слой SEI, который превосходит то, что возможно с предыдущими электролитами.
Электронная микроскопия высокого разрешения в Аргоннской и Тихоокеанской северо-западной национальных лабораториях показала, что высокозащитный слой SEI на аноде и катоде приводит к стабильной цикличности.
Команда смогла настроить соотношение фторидного растворителя к соли лития, чтобы создать слой с оптимальными свойствами.
Из-за этого слоя ионы лития могут эффективно входить и выходить из электродов во время заряда и разряда в течение сотен циклов.