95,6 % ёмкости после 1000 циклов зарядки: учёные нашли добавку, которая резко замедляет деградацию литиевых аккумуляторов
Поиск новых вариантов химического состава тяговых аккумуляторов в основном направлен на повышение плотности хранения заряда, но некоторые исследования сосредоточены на увеличении их ресурса. По крайней мере, японские учёные нашли добавку для графитовых анодов литийионных аккумуляторов, которая помогает сохранить остаточную ёмкость на уровне 95,6 % даже после 1000 циклов зарядки.
Деградация тяговых батарей в процессе эксплуатации является давно известной проблемой, хотя у современных электромобилей она и не так сильно выражена, чтобы серьёзно омрачать жизнь первого владельца. Специалистам японского исследовательского института JAIST удалось разработать добавку в химический состав графитового анода, которая при первых нескольких зарядных циклах позволяет формировать на его поверхности защитную плёнку, предотвращающую деградацию с прежней скоростью. Вещество носит обозначение пентафторфенил тиофен имина (FPTI).
Данный защитный слой позволяет ионам лития передвигаться между электролитом и анодом, не вступая в нежелательные химические реакции. Нестабильность данного слоя приводит к тому, что увеличивается потребление активного лития и растёт электрическое сопротивление, ускоряя процесс потери остаточной ёмкости аккумуляторной ячейки. В ходе эксперимента FPTI был добавлен в электролит литийионного аккумулятора в концентрации от 2 до 4 мг на миллилитр. Эта добавка привела к формированию более стабильного и при этом электропроводного покрытия на поверхности графитового анода.
Сложный молекулярный состав добавки по-разному влияет на изменение свойств тягового аккумулятора. Компоненты на основе серы и имина входят в состав защитного слоя, а фтор обогащает соединения лития на поверхности. В совокупности это позволяет сократить паразитные химические реакции и способствует более гладкому перемещению ионов и лития через интерфейс «электрод – электролит». Графитовые аккумуляторные ячейки с концентрацией 2 мг FPTI на миллилитр сохранили 89,4 % начальной ёмкости после 1000 циклов зарядки. Увеличение концентрации до 4 мг позволило поднять остаточный ресурс до 95,6 %. Контрольный же образец без добавления PFTI сохранил только 62,7 % начальной ёмкости после 1000 циклов зарядки, и уже после 350 циклов демонстрировал выраженную отрицательную динамику.
Непосредственное добавление PFTI в электролит, однако, привело к повышению сопротивления в катоде и ухудшило характеристики ячейки типа NMC. Исследователи выяснили, что добавка эффективно работает только на этапе подготовки графитового анода. Только после этого нужно приступать к сборке аккумуляторных ячеек с использованием стандартного по составу электролита.
Образец ячейки с концентрацией PFTI в размере 4 мг/мл продемонстрировал увеличение плотности хранения заряда с базовых 130 до 233 Вт·ч/кг. Снижение концентрации добавки до 2 мг/мл ограничило рост плотности хранения заряда до 192 Вт·ч/кг. Безусловно, для успешного внедрения этой добавки в состав серийно выпускаемых аккумуляторных ячеек потребуются масштабные испытания, но эксперимент сам по себе показывает, что у классических литийионных батарей есть хороший потенциал для дальнейшего улучшения эксплуатационных характеристик.