Litijum-metalne baterije bi mogle da ispolje znatno veću gustinu energije od litijum-jonskih baterija, koje su primarna tehnologija baterija na današnjem tržištu. Ipak, litijum-metalne ćelije takođe obično imaju značajna ograničenja, od kojih je najistaknutije kratak životni vek.
Istraživači sa Univerziteta za nauku i tehnologiju Kine i drugih instituta nedavno su predstavili novi dizajn elektrolita koji bi se mogao koristiti za razvoj litijum-metalnih ćelija kesa visokih performansi sa dužim životnim vekom. Ovaj elektrolit, predstavljen u radu u Nature Energi , ima jedinstvenu strukturu solvatacije nanometarske skale, sa parovima jona koji su gusto spakovani zajedno u kompaktne agregate jonskih parova (CIPA).
„Primarni ciljevi našeg nedavnog rada su da značajno ubrzamo praktičnu primenu litijum-metalnih baterija i ponudimo duboko mehaničko razumevanje ovog komplikovanog sistema“, rekao je za Tech Xsplore prof. Shuhong Jiao, koautor rada.
„Li-metalne baterije su sveti gral polja baterija i posmatraju se kao obećavajuća tehnika baterije sledeće generacije, jer imaju ultra-visoku gustinu energije, teoretski >500 Vh/kg. Ovo je više od 2 puta u poređenju sa današnjim litijum-jonske baterije koje dominiraju tržištem baterija, što znači da ako možemo da zamenimo litijum-jonske baterije litijum-metalnim baterijama, domet električnih vozila može se udvostručiti po punjenju.“
Litijum-metalne baterije koje su do sada predstavljene imaju veoma ograničen životni vek od približno 50 ciklusa, što je znatno niže od komercijalnih litijum-jonskih baterija, koje obično mogu da zadrže svoje dobre performanse oko 1.000 ciklusa. Razlozi za ovaj kraći životni vek su rast litijum dendrita, visoka reaktivnost litijum-metalnih i visokonaponskih prelaznih metalnih katoda, koji zajedno izazivaju stalnu degradaciju elektrolita.
„Uprkos opsežnim naporima istraživača širom sveta, performanse litijum-metalnih baterija su i dalje daleko od zadovoljavajućeg (>500 Vh/kg, 1.000 ciklusa)“, rekao je prof. Jiao. „Primarni uzrok je taj što se interfejsi između elektrolita i elektroda (tj. interfejs anoda-elektrolita i interfejs katoda-elektrolit) ne mogu u potpunosti stabilizovati kao u slučaju litijum-jonskih baterija. Konstantna i ozbiljna degradacija elektrolita se i dalje dešava tokom baterije. operacija“.
Pre otprilike pet godina, prof. Jiao i njene kolege dizajnirali su elektrolit koji može istovremeno da stabilizuje interfejs anoda-elektrolit i katoda-elektrolit u ćelijama litijum-metalnih baterija, potiskujući degradaciju elektrolita. Njihov dizajn elektrolita se zasniva na ranim istraživanjima mikroskopskih fizičko-hemijskih procesa unutar litijum-metalnih baterija.
„Elektrolit je ključna komponenta litijum-metalnih baterija, pošto može da podesi hemiju/strukturu SEI-a i na taj način usmerava ponašanje litijum-metala, na kraju diktira performanse baterije“, objasnio je prof. Jiao.
„U svrhu praktične primene, pokušali smo da to realizujemo korišćenjem jeftinih komponenti. Bezbrojni radovi drugih istraživača u ovoj oblasti takođe su nas inspirisali, jer su uveli mnoge nove klase elektrolita kao što su visokokoncentrovani elektrolit, lokalizovani elektrolit visoke koncentracije, elektrolit sa slabom solvatacijom i elektrolit u tečnom gasu itd.“
Da bi sproveli ovu nedavnu studiju, prof. Jiao i njena istraživačka grupa udružili su se sa drugim timovima koji su mogli da izvrše teorijske proračune i mogu da karakterišu elektrolite na mikroskopskoj skali. Njihovi zajednički napori su na kraju doveli do dizajna nove klase elektrolita koji mogu produžiti životni vek litijum-metalnih baterija.
Elektroliti koje su dizajnirali su napravljeni od komercijalno dostupnih i pristupačnih molekula. Njihova karakteristična karakteristika je njihova jedinstvena struktura rastvorljivosti.
„Slovaciona struktura je ključna inherentna karakteristika elektrolita, pošto ona upravlja međufaznim ponašanjem elektrolita, poput njegovog međufaznog reakcionog mehanizma koji kontroliše formiranje SEI, a time i SEI hemiju i strukturu“, rekao je prof. Jiao.
„Struktura solvatacije elektrolita je do sada bila intenzivno prilagođena na mikroskopskom nivou u naučnoj recenziranoj literaturi, posebno o prvoj solvatacionoj ljusci litijum jona, ali strukturno podešavanje izvan ove skale, odnosno druge solvacione ljuske i dalje, u velikoj meri se zanemaruje .“
Nedavna studija prof. Jiao i njenih kolega je pionir u podešavanju solvatne strukture elektrolita na mezoskopskom nivou. Njihov jedinstveni dizajn se posebno fokusira na interakciju između jonskih parova koji su u osnovi formiranja agregatne strukture elektrolita.
„Naš elektrolit sadrži velike kompaktne agregate, koji se formiraju gustim pakovanjem litijum-anjonskih jonskih parova sa koordinacionom vezom međusobno, što mi definišemo kao ‘kompaktni agregat jon-par (CIPA)’, rekao je prof. Jiao. „Ovo predstavlja oštar kontrast u odnosu na dominaciju malih agregata i odvojenih jonskih parova u lokalizovanom elektrolitu visoke koncentracije, najsavremenijoj klasi elektrolita sa vodećim performansama baterija do danas, otvarajući novi put za dizajn elektrolita.
Posebno, novi elektrolit koji je dizajnirao ovaj istraživački tim pokazuje jedinstvenu kolektivnu redukciju na litijum-metalnoj anodi. To znači da se oblaci anjona u CIPA strukturi brzo smanjuju (tj. razlažu) na površini litijuma, formirajući neorganska jedinjenja kao što su Li 2 O i LiF, kao i tanak i stabilan SEI, koji zauzvrat potiskuje stalno raspadanje elektrolita.
„Zahvaljujući jedinstvenom ponašanju kolektivnog prenosa elektrona, naš elektrolit formira tanak i konforman SEI sa niskim organskim sadržajem i bogat neorganskim komponentama sa ujednačenom distribucijom, što može promovisati homogeni tok litijum jona unutar SEI i taloženje litijuma bez dendrita“, rekao je prof. Jiao. „Ovo dovodi do homogenog i kompaktnog taloženja litijuma, što smanjuje specifične oblasti litijum-metalne anode kako bi se dodatno potisnula razgradnja elektrolita.“
Štaviše, novodizajnirani elektrolit istraživača istovremeno pokazuje dobru oksidativnu stabilnost i potiskuje rastvaranje elemenata prelaznog metala sa katode, čime se poboljšava stabilnost katodnog interfejsa. Utvrđeno je da stabilizacija ovog interfejsa, zajedno sa interfejsom litijum-elektrolit, dovodi do stabilnog ciklusa tokom dužeg broja ciklusa.
„Mezoskopska solvaciona struktura predstavljena u našem radu dovodi do nove klase elektrolita, otvarajući novi put za dizajn elektrolita litijum-metalnih baterija“, rekao je prof. Jiao.
Da bi procenili potencijal svog novodizajniranog elektrolita, istraživači su ga koristili da naprave litijum-metalnu ćeliju od 500 Vh/kg. U početnim testovima, otkriveno je da ova ćelija zadržava 91% svoje energije nakon rada tokom 130 ciklusa. U budućnosti, ovaj novi dizajn elektrolita mogao bi da bude reprodukovan i testiran od strane drugih istraživača širom sveta, kako bi se dalje procenio njegov potencijal za produženje veka litijum-metalnih baterija.
„Sada planiramo da dalje produžimo životni vek litijum-metalnih ćelija kesice od 500 Vh/kg na više od 1.000 ciklusa“, dodao je prof. Jiao. „S druge strane, još uvek istražujemo novi sistem baterija kako bismo ostvarili mnogo veću gustinu energije sa dugim životnim vekom, kao što je ≥ 600 Vh/kg sa 100-200 ciklusa. Sve ove fundamentalne naučne istraživačke studije su dragocene za realizaciju primene litijum-metalnih baterija u mnogim scenama.“
