Kinijos mokslininkai paskelbė apie reikšmingą proveržį ličio baterijų technologijoje – jiems pavyko pasiekti maždaug 700 Wh/kg energijos tankį. Šį rezultatą pasiekė Nankajaus universiteto tyrėjai bendradarbiaudami su Šanchajaus kosminių energijos šaltinių institutu.
Jų darbas sutelktas į esminį baterijos elektrolito pertvarkymą. Elektrolitas yra medžiaga, atsakanti už ličio jonų pernašą tarp elektrodų ir tiesiogiai lemianti baterijos našumą, stabilumą bei efektyvumą.
Įprastai ličio jonų baterijose naudojami karbonatiniai elektrolitai, kuriuose ličio jonai koordinuojami per deguonies atomus. Nors tokie tirpikliai yra plačiai paplitę ir patikrinti praktikoje, jie turi trūkumų: ribotą jonų judrumą ir prastą veikimą žemoje temperatūroje.
Nauja elektrolito sistema, paremta fluoruotais angliavandenilių tirpikliais
Tyrėjų komanda sukūrė naujo tipo elektrolito sistemą, paremtą fluoruotais angliavandenilių tirpikliais. Toks sprendimas iš esmės pakeičia, kaip ličio druskos tirpsta ir sąveikauja molekuliniame lygyje.
Preciziškai koreguodami tirpiklio molekulių elektroninę struktūrą ir erdvinį išsidėstymą, mokslininkai sumažino ličio ir fluoro sąveikos stiprumą, todėl jonai gali judėti laisviau. Dėl to baterija sugebėjo pasiekti apie 700 Wh/kg energijos tankį kambario temperatūroje ir išlaikyti maždaug 400 Wh/kg net esant ekstremaliai žemai – maždaug −50 °C temperatūrai.
Palyginimui, pirmaujantys komerciniai baterijų gamintojai, tokie kaip „CATL“, šiuo metu pasiekia maždaug 250–255 Wh/kg energijos tankį baterijų bloko lygiu.
Laboratorinio lygmens pasiekimas
Nors šis rezultatas kol kas yra laboratorinio lygmens pasiekimas, o ne tiesiogiai parengtas komerciniam naudojimui produktas, jis žymi itin svarbų žingsnį itin didelio energijos tankio baterijų link.
Jei technologiją pavyks sėkmingai pritaikyti masinei gamybai ir įrodyti jos saugumą bei ekonomiškumą, ji gali turėti didelės įtakos elektrinių transporto priemonių, aviacijos ir kosminių sistemų, robotikos ir kitų sričių plėtrai. Tokiems taikymams reikalingi lengvi, galingi energijos šaltiniai, galintys patikimai veikti sudėtingomis ir atšiauriomis sąlygomis.
Nauji fluoruotų tirpiklių junginiai
Tyrėjų komanda suprojektavo ir susintetino visą seriją naujų fluoruotų angliavandenilių tirpiklių molekulių. Taip jiems pavyko pasiekti efektyvų ličio druskų tirpimą elektrolite ir praktiškai pakeisti tradicinį ličio ir deguonies koordinacijos mechanizmą.
Naudodami šią naują elektrolito sistemą, mokslininkai sukūrė ličio baterijas, kurių specifinė energija kambario temperatūroje siekia apie 700 Wh/kg. Šios baterijos, kaip nurodoma, išlaiko beveik 400 Wh/kg energijos tankį net esant maždaug −50 °C temperatūrai.
Jei tokio lygio didelio energijos tankio ličio baterijų technologiją pavyktų iš laboratorijos perkelti į pramoninę gamybą, jos pritaikymas būtų itin platus. Be ilgesnį nuvažiuojamą atstumą užtikrinančių elektromobilių, tai būtų aktualu aviacijai ir kosmoso technologijoms, robotikai, nešiojamiems ir stacionariems energijos kaupimo sprendimams, kur svarbus kiekvienas svorio ir tūrio vienetas.
Tačiau eksperimentinių sprendimų pavertimas komerciškai gyvybingais produktais įprastai reikalauja ilgo inžinerinių tobulinimų, kruopštaus saugumo bandymų ir optimizavimo realioms naudojimo sąlygoms laikotarpio.
Tyrimo rezultatai žurnale „Nature“
Žurnale „Nature“ publikuotas tyrimas rodo, kad mokslininkai susintetino monofluoruotų struktūrų alkanus. Jame nurodoma, kad fluoro (F) turintys ligandai, pasižymintys specialiai suprojektuotu steriniu slopinimu ir Liuso bazingumu, leidžia pasiekti daugiau kaip 2 mol/l ličio druskos koncentraciją tirpale.
Tyrime pažymima, kad „1,3-difluoropropanu“ (DFP) pagrįstas ličio jonų elektrolitas apjungia visas savybes, reikalingas didelio energijos tankio ir žemos temperatūros baterijoms: mažą klampumą (0,95 cp), aukštą oksidacinį stabilumą (>4,9 V) ir joninį laidumą, siekiantį 0,29 mS/cm net esant −70 °C temperatūrai.
