Благодаря этому новому добавку для графита аккумуляторы могут прослужить намного дольше.

Одной из главных проблем современных аккумуляторов является не только необходимость увеличения их емкости, но и обеспечение стойкости к числу циклов зарядки-разрядки и времени эксплуатации. Группа японских исследователей теперь нашла способ улучшить этот аспект с помощью нового добавки, действующей на поверхность графита — одного из наиболее часто используемых материалов в электродах аккумуляторов.

Команда Японского института передовых научных технологий (JAIST) разработала соединение под названием имина пентафторфенила и тиофена, известное как FPTI. Его функция заключается в улучшении защитного слоя, который образуется на графите во время первых циклов зарядки и который играет ключевую роль в контроле старения аккумулятора.

Самый примечательный результат наблюдается после 1 000 циклов. Элементы, обработанные в концентрации 4 миллиграмма FPTI на миллилитр, сохранили 95,6% своей емкости, тогда как элементы без добавки остались на уровне 62,7%. При более низкой концентрации — 2 миллиграмма на миллилитр — сохранена емкость составила 89,4%.

Ключ к решению кроется в области аккумулятора, которая обычно остается незамеченной. Во время первых зарядок на графите образуется слой, известный как интерфейс твердого электролита, или SEI. Эта пленка обеспечивает перемещение ионов лития, но в то же время ограничивает определенные химические реакции, которые могут ускорить разрушение элемента питания.

Когда этот слой теряет стабильность, увеличивается внутреннее сопротивление, и часть активного лития в аккумуляторе расходуется. В результате происходит постепенная потеря емкости. Именно это и пытались добиться японские исследователи — сделать так, чтобы эта защита была более стабильной с самого начала.

Добавка, создающая более прочный защитный слой

FPTI разработан для реакции на ранних этапах работы раньше других компонентов электролита. Таким образом он способствует формированию более стабильного защитного слоя на графите. Анализ, проведенный командой, также показал высокое содержание фторида лития в этом слое, при этом другие компоненты, такие как сера и иминная группа соединения, также участвуют в его формировании.

Эффект можно измерить непосредственно по внутреннему сопротивлению элемента. При максимальной концентрации FPTI сопротивление защитного слоя снизилось с 7,6 ом в эталонном элементе до всего 2,2 ом. Сопротивление, связанное с переносом заряда, также упало с 41,8 до 19,8 ом, в то время как подвижность ионов лития улучшилась.

Однако наиболее значительная разница проявляется при тесте на длительную работу. После 1 000 циклов элемент без FPTI сохранил 62,7% от своей эталонной ёмкости, тогда как элементы, обработанные 2 и 4 миллиграммами на миллилитр, сохранили соответственно 89,4% и 95,6%. Кроме того, элементы без этого добавки начали показывать особенно значительную потерю ёмкости примерно после 350 циклов.

Затем исследователи хотели проверить, можно ли применить тот же принцип к полноценной батарее, используя положительный электрод NMC811 и отрицательный — из графита. Однако возникла важная ограниченность: прямое добавление FPTI в электролит всей батареи не сработало, поскольку это увеличивало сопротивление в положительном электроде и снижало её производительность.

Решением стало использование этого соединения исключительно для предварительной обработки графитового электрода. Сначала на графите был сформирован улучшенный защитный слой с помощью FPTI, а затем была собрана полная батарея с использованием обычного электролита, без сохранения добавки во всей ячейке.

Результат также оказался значительным. Полная батарея, в которой использовался графит, обработанный 4 миллиграммами на миллилитр FPTI, достигла плотности энергии примерно 233 Вт·ч/кг, в то время как при обработке 2 миллиграммами на миллилитр показатель составил около 192 Вт·ч/кг, а в контрольной конфигурации — примерно 130 Вт·ч/кг.

Исследование показывает, что для увеличения срока службы аккумулятора не всегда необходимо заменять графит на совершенно новый материал. В данном случае цель заключается в более эффективном контроле процессов, происходящих на его поверхности, и в предотвращении того, чтобы второстепенные реакции постепенно разрушали электрод с каждым циклом.

Тем не менее, до применения этого решения в электромобилях ещё далеко. Результат в 95,6% был достигнут преимущественно в тестовых элементах на основе графита и лития, в то время как тесты с полноценным аккумулятором проводились после предварительной обработки отрицательного электрода. Сами исследователи отмечают, что потребуются тесты с элементами большего размера в условиях, близких к коммерческим.

Важность этой работы заключается скорее в открываемом ею пути, чем в непосредственном применении. Если эта стратегия сможет быть реализована в промышленных масштабах, она может способствовать увеличению срока службы аккумуляторов, изготовленных из уже известных материалов, без необходимости полностью менять их состав. Это может быть важно как для электромобилей, так и для других систем хранения энергии, которым требуется выдерживать сотни или тысячи циклов без значительной потери емкости.