Исследователи аккумуляторов обнаружили одну причину, по которой литий-ионные батареи постепенно теряют способность хранить энергию: деградацию электролита из-за взаимодействия с материалами катода. Недавние исследования дополняют понимание того, почему происходит эта деградация, и как ее можно контролировать за счет добавления добавок к электролиту.
Батареи состоят из анода (отрицательного электрода) и катода (положительный электрод), разделенного электролитом, через который могут течь ионы. В ионно-литиевой батарее этот анод обычно представляет собой материал из углеродного графита, который может принимать и хранить ионы лития между его слоями атомов углерода. Катод обычно представляет собой оксид металла, состоящий из никеля, марганца, кобальта и лития. Это катод, который ограничивает максимальную емкость литиево-ионного аккумулятора.
Электролит
Типичным электролитом для ионно-литиевой батареи является литиевая соль (обычно гексафторфосфат лития, LiPF 6 ), смешанный с органическим растворителем. Этот растворитель часто представляет собой смесь этиленкарбоната, диметилкарбоната, пропиленкарбоната, диметилкарбоната и этилметилкарбоната. Электролит должен обеспечивать прохождение ионов лития между электродами во время зарядки и разрядки. Это также должно препятствовать прохождению электронов, чтобы избежать саморазряда аккумуляторной батареи.
Электролиты не должны реагировать ни с анодным, ни с катодным материалом, или результатом будет постепенное ухудшение характеристик батареи. Это не проблема для углерода анода, но оксиды металлов в катоде представляют проблему. Когда катод находится в контакте с электролитом в течение длительного периода времени, жидкий электролит начинает ухудшаться, снижая эффективность батареи.
| Повышение производительности Хорошей новостью является то, что добавка, повышающая производительность, может быть добавлена к электролиту. Материал называется трис (триметилсилил) фосфит или ТМСПi. Согласно пресс-релизу Аргоннской национальной лаборатории, которая изучила TMSPi в литиево-ионных батареях, добавка изменяет поверхность катода. При этом он образует защитный слой, который помогает уменьшить разрушение электролита вблизи поверхности катода. По словам ведущего научного сотрудника Argonne Даниэля Абрахама, механизм, с помощью которого TMSPi работает в литиево-ионной батарее, был загадкой — до сих пор. Недавно опубликованная статья в The Journal of Physical Chemistry описывает работу, предпринятую Абрахамом и Аргонн, чтобы понять, как добавка обеспечивает защиту, которая повышает производительность батареи. Согласно пресс-релизу Argonne, удивительным в отношении последних исследований является открытие о том, что сама молекула TMSPi непосредственно не связана с защитой катода. В релизах сообщается: «Активный компонент представляет собой другую молекулу, PF 2 OSiMe 3 которая химически получена из TMSPi». («Me» в этой формуле представляет собой метильную группу .) Соединение медленно образуется, когда соль лития в электролите реагирует с TMSPi. Преимущества Абрахам называет процесс «травления» и отмечает, что он имеет несколько положительных эффектов. Во-первых, продукт реакции уменьшает повышение электрического сопротивления, которое обычно происходит после многих циклов заряда и разряда. Замедление ионов лития, движущихся между катодом и анодом, и изменение химического катода из-за взаимодействия с электролитом являются причиной этого повышения сопротивления. Новое активное соединение уменьшает рост, позволяя быстрее заряжать и разряжать литиевые ионные элементы. Другим полезным эффектом молекулы, полученной из TMSPi, является то, что она уменьшает потерю переходных металлов кобальта и марганца с катода в электролит и в конечном итоге достигает анода. Результатом потери и передачи может стать ухудшение производительности после многих циклов. Это предотвращается наличием активной молекулы. ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ:
Физическое понимание Хотя улучшения производительности были простыми для измерения, фактическое физическое понимание задействованных механизмов потребовало большей работы. Расчетное исследование в Аргонне показало, что продукт реакции PF 2 OSiMe 3 связывается с реакционными центрами на поверхности катода без удаления кислорода с поверхности. Согласно релизу: «Эта поверхностно-связанная молекула может далее реагировать с электролитом, превращаясь в еще более сильную связывающую молекулу, которая постоянно закрывает реакционные центры на катоде, стабилизируя границу раздела между жидким электролитом и твердым электродом». Исследования Аргонне показали что производительность батареи действительно улучшается с возрастом по мере того, как происходит большее количество этих преобразований. Из этих результатов есть важные практические применения. «Теперь, когда мы лучше понимаем механизм защитного катодного действия фосфитом, мы можем быть более систематичным в поиске новых путей достижения и улучшения этого травления электролитной добавки», — сказал Абрахам. Старший редактор Кевин Клеменс уже более 30 лет пишет об энергетических, автомобильных и транспортных темах. Имеет степень магистра в области материаловедения и экологического образования, а также докторскую степень по машиностроению, специализирующуюся на аэродинамике. Он установил несколько мировых рекордов скорости на электрических мотоциклах, которые он построил в своей мастерской.
|
Загрузка...