Исследователи Японского передового института науки и технологий (JAIST) предложили способ значительно увеличить ресурс обычных литий-ионных аккумуляторов без замены графитового анода на новый материал.
Для этого они синтезировали соединение FPTI — пентафторфенилтиофенимин, которое можно использовать при формировании защитного слоя на графите. Исследование опубликовано в журнале Energy & Fuels.
Почему вообще стареет графитовый анод?
При первых циклах заряда на поверхности графита образуется тонкий слой SEI — своеобразный барьер между электродом и электролитом. Он пропускает ионы лития, но сдерживает нежелательные химические реакции.
Если этот слой нестабилен, батарея постепенно расходует активный литий, внутреннее сопротивление увеличивается, а доступная ёмкость снижается.
FPTI изменяет состав SEI. Фторированная часть молекулы способствует образованию слоя, богатого фторидом лития, а соединения серы и именные группы также встраиваются в защитную структуру. В результате сопротивление SEI в экспериментах снизилось с 7,6 до 2,2 Ом, а сопротивление переносу заряда — с 41,8 до 19,8 Ом.
Разница стала заметна после сотен циклов зарядки
В графито-литиевых тестовых элементах с концентрацией FPTI 4 мг/мл после 1000 циклов сохранялось 95,6 % от максимальной ёмкости. При концентрации 2 мг/мл — 89,4 %.
Контрольный образец без новой добавки сохранил лишь 62,7 %, а заметная деградация началась примерно после 350 циклов.
Однако пока рано применять эти цифры непосредственно к аккумулятору смартфона или электромобиля.
Когда исследователи просто добавили FPTI в полноценный элемент с катодом NMC811, вещество увеличило сопротивление на стороне катода и ухудшило характеристики. Поэтому в следующем эксперименте ею предварительно обработали только графитовый анод, а сам аккумулятор собрали уже со стандартным электролитом.
Такой прототип достиг удельной энергии около 233 Вт·ч/кг по сравнению с примерно 130 Вт·ч/кг в контрольном варианте.
Следующим этапом должны стать испытания в более крупных коммерческих элементах и в более широком диапазоне температур и режимов работы. Если метод удастся масштабировать, он может представлять интерес именно потому, что не требует отказа от хорошо освоенного графита — одного из самых распространенных анодных материалов современных литий-ионных батарей.
