В Китае разработали аккумулятор для экстремальных условий

Новый электролит, позволяющий заряжать и эксплуатировать литий-ионные батареи при температуре до минус 80 градусов Цельсия (минус 112 градусов по Фаренгейту), разработали китайские ученые, сообщает 2 марта издание South China Morning Post.

Их работа, в ходе которой также был обнаружен ранее неизвестный метод транспортировки ионов в батареях, может открыть путь к созданию высокоэнергетических батарей, способных работать в экстремальных условиях.

По словам Фань Сюлина, профессора Чжэцзянского университета и одного из ведущих ученых, участвовавших в разработке, такие батареи могут найти широкое применение, в том числе в электромобилях, авиации, морской электронике, железных дорогах, полярных исследованиях и телекоммуникациях.

Литий-ионные батареи были ограничены для использования в низкотемпературных средах, поскольку «практически невозможно» создать батарею, которая одновременно обладала бы высокой плотностью энергии, имела бы широкую рабочую температуру и быстро заряжалась.

Одна из причин заключается в том, что электролит — компонент батареи, который переносит ионы между электродами — для обеспечения всех этих аспектов должен обладать противоречивыми свойствами.

Но такая батарея может стать реальностью, если использовать новый электролит, о котором подробно рассказывается в статье, опубликованной в рецензируемом журнале Nature.

Исследователи из Чжэцзянского университета совместно с коллегами из США разработали электролит, состоящий из очень маленьких молекул растворителя, который обеспечивает свойства батареи, «недостижимые» для существующих конструкций электролитов.

Результаты исследования показали, что электролит позволяет литий-ионным элементам работать с высокой емкостью и стабильностью при температурах от 60 до минус 80 градусов, а также обеспечивает сверхбыструю зарядку в холодных условиях.

При сверхнизких температурах батарея «может быть заряжена за 10 минут, чтобы достичь 80 процентов зарядной емкости», — сказал Фань китайскому новостному сайту Science Times.

Электролиты для литий-ионных аккумуляторов обычно состоят из солей лития, растворенных в органическом растворителе. Электролиты являются фактором, ограничивающим ионную проводимость — или перенос ионов — в батарее.

Но после четырех лет исследований, включавших в себя проверку различных растворителей в широком диапазоне температур, команда разработала электролит на основе растворителя под названием фторацетонитрил.

Используя для испытаний литий-ионные аккумуляторы в мягкой упаковке — или плоские ячейки, — команда обнаружила, что электролит позволяет использовать ранее неизвестный метод структурного переноса в батареях.

Небольшие молекулы растворителя в электролите образуют два слоя оболочки вокруг ионов лития и создают каналы для перемещения ионов, что называется лиганд-канальным транспортом, сообщает Nature.

«Механизм лиганд-канального переноса открывает путь к созданию высокоэнергетических батарей, работающих в экстремальных условиях», — говорится в статье.

По сравнению с обычными электролитами, при температуре минус 70 градусов этот механизм позволил электролиту иметь ионную проводимость в 10 000 раз выше, сообщает Nature.

Помимо литий-ионных батарей, команда обнаружила, что их принцип создания электролита «также очень эффективен для натрий-ионных и калий-ионных батарей», сказал Фан в интервью Science Times.

По данным Nature, это исследование все еще имеет определенные ограничения, так как может потребоваться дополнительная работа, чтобы убедиться, что электролит может эффективно работать в рамках обычной конструкции батареи.

Хотя данная работа служит моделью для проверки правильности принципа конструкции электролита, «мы считаем, что этот электролит может найти коммерческое применение в будущем», — сказал Фан, отметив, что потенциальным фактором, ограничивающим коммерческое применение, является стоимость растворителя.