Kinijos mokslininkai pranešė 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.
Tyrimas sutelktas į esminį baterijos elektrolito pertvarkymą. Elektrolitas yra medžiaga, atsakinga už ličio jonų pernašą tarp elektrodų, todėl jis tiesiogiai lemia baterijos našumą, stabilumą ir efektyvumą.
Įprastose ličio jonų baterijose dažniausiai 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 prastesnį veikimą esant žemai temperatūrai.
Nauja elektrolito sistema, paremta fluoruotais angliavandenilių tirpikliais
Tyrėjų komanda sukūrė naujo tipo elektrolito sistemą, paremtą fluoruotais angliavandenilių tirpikliais. Toks sprendimas iš esmės keičia tai, kaip ličio druskos tirpsta ir kaip jos sąveikauja molekuliniame lygyje.
Tikslingai koreguodami tirpiklio molekulių elektroninę struktūrą ir erdvinį išsidėstymą, mokslininkai sumažino ličio ir fluoro sąveikos stiprumą, todėl jonai gali judėti laisviau. Dėl to baterija pasiekė apie 700 Wh/kg energijos tankį kambario temperatūroje ir išlaikė maždaug 400 Wh/kg net esant itin žemai – apie −50 °C – temperatūrai.
Palyginimui, pirmaujantys komerciniai baterijų gamintojai 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 komerciniam naudojimui parengtas produktas, jis žymi svarbų žingsnį itin didelio energijos tankio baterijų kryptimi.
Jei technologiją pavyks pritaikyti masinei gamybai ir įrodyti jos saugumą bei ekonomiškumą, ji gali turėti didelę įtaką elektrinio transporto, aviacijos ir kosminių sistemų, robotikos bei kitų sričių plėtrai. Šiems taikymams reikia lengvų, galingų energijos šaltinių, galinčių patikimai veikti sudėtingomis ir atšiauriomis sąlygomis.
Nauji fluoruotų tirpiklių junginiai
Tyrėjų komanda suprojektavo ir susintetino visą seriją naujų fluoruotų angliavandenilių tirpiklių molekulių. Tai leido pasiekti efektyvų ličio druskų tirpimą elektrolite ir iš esmės pakeisti tradicinį ličio ir deguonies koordinacijos mechanizmą.
Naudodami šią elektrolito sistemą, mokslininkai sukūrė ličio baterijas, kurių specifinė energija kambario temperatūroje siekia apie 700 Wh/kg. Nurodoma, kad jos išlaiko beveik 400 Wh/kg energijos tankį net esant maždaug −50 °C temperatūrai.
Jeigu tokio lygio didelio energijos tankio ličio baterijų technologiją pavyktų perkelti iš laboratorijos į pramoninę gamybą, jos pritaikymas būtų itin platus. Be elektromobilių, kuriems tai reikštų didesnį nuvažiuojamą atstumą, sprendimas būtų aktualus aviacijai ir kosmoso technologijoms, robotikai, nešiojamiems įrenginiams bei stacionarioms energijos kaupimo sistemoms, kur svarbus kiekvienas svorio ir tūrio vienetas.
Vis dėlto eksperimentinių sprendimų pavertimas komerciškai gyvybingais produktais paprastai reikalauja ilgo inžinerinių tobulinimų etapo, kruopščių saugumo bandymų ir optimizavimo realioms naudojimo sąlygoms.
Tyrimo rezultatai publikuoti žurnale „Nature“
Žurnale „Nature“ publikuotame tyrime teigiama, kad mokslininkai susintetino monofluoruotų struktūrų alkanus. Nurodoma, jog fluoro (F) turintys ligandai, pasižymintys specialiai suprojektuotu steriniu slopinimu ir Liuso bazingumu, leidžia pasiekti didesnę kaip 2 mol/l ličio druskos koncentraciją tirpale.
Tyrime taip pat pažymima, kad „1,3-difluoropropanu“ (DFP) pagrįstas ličio jonų elektrolitas apjungia 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.
