Исследования китайских ученых привели к потенциальному прорыву в области аккумуляторов, особенно для применения в условиях экстремального холода. Их открытие решает давнюю проблему, связанную с литий-ионными батареями: их значительно сниженная производительность при низких температурах.
Проблема литий-ионных батарей в холодную погоду
Несмотря на то, что литий-ионные батареи преобладают во многих современных технологиях, от электромобилей до накопителей энергии, их производительность при низких температурах ограничена. При понижении температуры зарядная емкость и скорость зарядки этих конструкций значительно снижаются из-за увеличения вязкости и уменьшения подвижности ионов лития в электролите.
Эта проблема имеет серьезные последствия не только для электрификации авиации, где экстремальные температуры характерны для больших высот, но и для других приложений, требующих надежности в холодных условиях. К ним относятся электромобили, работающие в северном климате, и накопители возобновляемой энергии в холодных регионах.
Решение: новый электролит
В рамках этого исследования ученые из Чжэцзянского университета установили, что суть проблемы заключается в природе электролитов, используемых в литий-ионных батареях. Исследуя различные растворители, они обнаружили, что некоторые небольшие растворители могут образовывать эффективные транспортные каналы для ионов лития, облегчая их перемещение даже при очень низких температурах.
Среди испытанных растворителей особенно перспективным оказался фторацетонитрил (FAN). Он не только обеспечивает исключительную ионную проводимость при комнатной температуре, но и сохраняет эту эффективность в широком диапазоне температур, от -80 до 60 °C. Благодаря этой характеристике батареи с электролитом FAN гораздо лучше приспособлены к экстремальным условиям, чем существующие решения. Более того, FAN показал себя на несколько порядков лучше других альтернатив при температуре -70 °C и сохранил эту эффективность в течение 3 000 циклов при температуре 6 °C.
Последствия и потенциал этого электролита
Инновационный электролит FAN предлагает несколько ключевых преимуществ. Во-первых, он обеспечивает быструю перезарядку, достигая 80 % емкости всего за десять минут, что имеет решающее значение для многих практических применений, от автомобильной до авиационной промышленности. Во-вторых, метод, с помощью которого FAN окружает ионы лития двумя оболочками, обеспечивает повышенную подвижность ионов — инновация, которая может изменить работу батарей в холодных условиях.
Исследование также предполагает, что этот подход может быть распространен на другие типы электролитов для металл-ионных батарей, что открывает путь к улучшению различных приложений, помимо литий-ионных, включая батареи для хранения возобновляемой энергии. Это значительное достижение для холодных регионов, где хранение энергии имеет решающее значение для компенсации колебаний в производстве энергии, особенно в зимний период.
Хотя технология еще далека от массового производства и требует дальнейших исследований для подтверждения ее жизнеспособности в больших масштабах, это открытие открывает новые и захватывающие перспективы для будущего электрификации в экстремальных условиях.
Подробности исследования опубликованы в журнале Nature.
