Завдяки цьому новому добавку до графіту акумулятори можуть прослужити набагато довше.

Однією з великих проблем сучасних акумуляторів є не лише підвищення їхньої ємності, а й забезпечення стійкості до численних циклів заряджання та років експлуатації. Група японських дослідників тепер знайшла спосіб покращити цю ситуацію, використовуючи новий добавку, яка діє на поверхню графіту — одного з найпоширеніших матеріалів у електродах акумуляторів.

Команда Японського інституту передових наук та технологій (JAIST) розробила сполуку під назвою імін пентафторфенілу та тіофену, відому як FPTI. Її функція — покращити захисний шар, який утворюється на графіті під час перших циклів заряджання, і який є ключовим для контролю старіння акумулятора.

Найбільш вражаючий результат спостерігається після 1.000 циклів. Комірки, оброблені концентрацією 4 міліграми FPTI на мілілітр, зберегли 95,6% своєї ємності, тоді як комірки без добавки залишилися на рівні 62,7%. При меншій концентрації — 2 міліграми на мілілітр — збережена ємність становила 89,4%.

Ключ до рішення знаходиться у частині акумулятора, яка зазвичай залишається непоміченою. Під час перших зарядок на графіті утворюється шар, відомий як інтерфейс твердого електроліту, або SEI. Цей шар дозволяє рухатися іонам літію, але водночас обмежує певні хімічні реакції, які можуть прискорити знос елемента.

Коли цей шар втрачає стабільність, зростає внутрішній опір, і частина активного літію в акумуляторі витрачається. У результаті відбувається поступова втрата ємності. Саме цього прагнули японські дослідники — зробити цей захисний шар більш стабільним з самого початку.

Додаток, який створює більш міцний захисний шар

FPTI розроблений для того, щоб реагувати на початкових етапах роботи раніше за інші компоненти електроліту. Таким чином він сприяє створенню більш стабільного захисного шару на графіті. Аналіз, проведений командою, також показав високу кількість фториду літію у цьому шарі, тоді як інші компоненти, що походять від сірки та імінної групи сполуки, також беруть участь у його формуванні.

Цей ефект можна виміряти безпосередньо у внутрішньому опорі акумуляторної клітки. При найвищій концентрації FPTI опір захисного шару знизився з 7,6 ом у контрольній клітці до лише 2,2 ом. Опір, пов’язаний із передачею заряду, також зменшився з 41,8 до 19,8 ом, тоді як рух іонів літію покращився.

Але сама значна різниця проявляється під час тесту на тривалу експлуатацію. Після 1 000 циклів клітка без FPTI зберегла 62,7% своєї початкової ємності, тоді як клітки, оброблені 2 та 4 міліграмами на мілілітр, зберегли відповідно 89,4% та 95,6%. Крім того, клітки без цього добавки почали демонструвати особливо значну втрату ємності приблизно з 350 циклів.

Дослідники потім хотіли перевірити, чи можна застосувати той самий принцип до повноцінної батареї, використовуючи позитивний електрод NMC811 та негативний з графіту. Однак виникла важлива обмеженість: пряме додавання FPTI до електроліту всієї батареї не спрацювало ефективно, оскільки це підвищувало опір у позитивному електроді та погіршувало продуктивність.

Рішенням було використання цього сполуки лише для попередньої обробки графітового електрода. Спочатку на графіті був створений покращений захисний шар за допомогою FPTI, а потім була зібрана повна батарея з використанням звичайного електроліту, не залишаючи цей добавку в усій клітці.

Результат також був значним. Повна батарея, яка використовувала графіт, оброблений 4 міліграмами на мілілітр FPTI, досягла щільності енергії приблизно 233 Вт·год/кг, на відміну від приблизно 192 Вт·год/кг при обробці 2 міліграмами на мілілітр та близько 130 Вт·год/кг у контрольній конфігурації.

Дослідження показують, що для покращення терміну служби акумулятора не завжди необхідно замінювати графіт на абсолютно новий матеріал. У цьому випадку метою є кращий контроль над тим, що відбувається на його поверхні, та запобігання тому, щоб вторинні реакції поступово псували електрод з кожним циклом.

Проте ще залишається чимало шляху, перш ніж можна буде думати про його використання в електромобілях. Результат у 95,6% було досягнуто переважно в тестових елементах з графіту та літію, тоді як тест з повноцінним акумулятором проводився після попередньої обробки негативного електрода. Самі дослідники зазначають, що знадобляться тести з елементами більшого розміру в умовах роботи, ближчих до комерційних.

Тож важливість цієї роботи полягає радше у шляху, який вона відкриває, ніж у негайному застосуванні. Якщо ця стратегія зможе функціонувати в промислових масштабах, вона може допомогти подовжити термін служби акумуляторів, зроблених із вже відомих матеріалів, без необхідності повністю змінювати їхній склад. Це може бути корисно як для електромобілів, так і для інших систем зберігання енергії, яким потрібно витримувати сотні чи тисячі циклів без значного зниження ємності.