Дослідники Японського передового інституту науки і технологій (JAIST) запропонували спосіб значно збільшити ресурс звичайних літій-іонних акумуляторів без заміни графітового анода на новий матеріал.
Для цього вони синтезували сполуку FPTI — pentafluorophenyl thiophene imine, яку можна використовувати під час формування захисного шару на графіті. Дослідження опубліковане в журналі Energy & Fuels.
Чому взагалі старіє графітовий анод
Під час перших заряджань на поверхні графіту формується тонкий шар SEI — своєрідний бар’єр між електродом та електролітом. Він пропускає іони літію, але стримує небажані хімічні реакції.
Якщо цей шар нестабільний, батарея поступово витрачає активний літій, внутрішній опір збільшується, а доступна ємність падає.
FPTI змінює склад SEI. Фторована частина молекули сприяє утворенню шару, багатого на фторид літію, а сполуки сірки та імінні групи також вбудовуються у захисну структуру. У результаті опір SEI у дослідах знизився з 7,6 до 2,2 Ом, а опір перенесенню заряду — з 41,8 до 19,8 Ом.
Різниця стала помітною після сотень заряджань
У графіт/літієвих тестових елементах із концентрацією FPTI 4 мг/мл після 1000 циклів залишалося 95,6% максимальної ємності. За концентрації 2 мг/мл — 89,4%.
Контрольний елемент без нової добавки зберіг лише 62,7%, а помітна деградація почалася приблизно після 350 циклів.
Однак переносити ці цифри безпосередньо на батарею смартфона чи електромобіля поки рано.
Коли дослідники просто додали FPTI в повноцінний елемент із катодом NMC811, речовина збільшила опір на стороні катода й погіршила характеристики. Тому в наступному експерименті нею попередньо обробили лише графітовий анод, а сам акумулятор зібрали вже зі стандартним електролітом.
Такий прототип досяг питомої енергії близько 233 Вт·год/кг проти приблизно 130 Вт·год/кг у контрольному варіанті.
Наступним етапом мають стати випробування у більших комерційних елементах і за ширшого діапазону температур та режимів роботи. Якщо метод вдасться масштабувати, він може стати цікавим саме тому, що не потребує відмови від добре освоєного графіту — одного з найпоширеніших анодних матеріалів сучасних літій-іонних батарей.
