Новая технология производства электролитов обеспечивает стабильную работу высоковольтных натрий-ионных аккумуляторов
Аккумулятор FIAMM 12FGL42
Американские исследователи разработали метаслабосольватирующий электролит, который оптимизирует структуру сольватации ионов натрия, обеспечивая более быстрый транспорт ионов, снижая вероятность побочных реакций и повышая межфазную стабильность в высоковольтных натрий-ионных батареях. Эта разработка значительно продлевает срок службы батарей и превосходит обычные и локализованные высококонцентрированные электролиты, обеспечивая более равномерное и стабильное взаимодействие между электродом и электролитом.
Блок натрий-ионных аккумуляторов
Исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (Pacific Northwest National Laboratory, PNNL) Министерства энергетики США разработали мета-слабосольватирующий электролит, который, как сообщается, может обеспечить стабильную работу высоковольтных натрий-ионных (Na-ion) аккумуляторов.
«Новый электролит представляет собой новую стратегию регулирования структуры сольватации натрия, которая может способствовать благоприятным реакциям и подавлять нежелательные, — рассказал ESS News Ан Л.Фан. — Это приводит к снижению необратимых потерь и деградации материалов в реальных условиях».
Большинство традиционных электролитов для аккумуляторов обладают высокой способностью к сольватации ионов металлов, что способствует их перемещению в жидкости. Однако это также приводит к образованию очень стабильной «ионо-сольватной оболочки», которую трудно разрушить на поверхности электрода. Когда это происходит, молекулы электролита часто вовлекаются в нежелательные побочные реакции, образуя нестабильные слои, расходуя электролит и со временем приводя к ухудшению характеристик аккумулятора.
Предлагаемый тип электролита, напротив, разработан таким образом, чтобы ионы натрия были менее прочно связаны с молекулами растворителя и находились в более контролируемой промежуточной структуре сольватации. Это меняет поведение ионов на границе раздела электродов и предотвращает образование слишком стабильных ионно-сольвентных оболочек, которые обычно приводят к вредным побочным реакциям и ухудшению работы аккумулятора.
Для создания элемента питания ученые использовали соли гексафторфосфата натрия (NAPF₆) и бис (фторсульфонил) имидида натрия (NaFSI) аккумуляторного качества, а также растворители высокой чистоты, такие как этиленкарбонат (EC), диэтилкарбонат (DEC), триэтилфосфат (TEP), трис (2,2,2-трифторэтил) фосфат (TFP) и 1,1,2,2-тетрафторэтил 2,2,3,3-тетрафторпропиловый эфир (TTE). .
Катоды из оксида никеля, марганца и железа (NFM424) были соединены с анодами из твердого углерода (HC). Оба электрода были изготовлены методом литья суспензии на алюминиевую (Al) фольгу с использованием таких связующих веществ, как поливинилиденфторид (ПВДФ), карбоксиметилцеллюлоза натрия (КМЦ) и бутадиен-стирольный каучук (БСК), а также токопроводящего углерода (Super P carbon, C45). Перед сборкой электроды высушили в вакууме.
Полноценные элементы питания, состоящие из катодов NFM424 и анодов HC, были собраны в перчаточном боксе, заполненном аргоном, с использованием стандартных компонентов для монетных элементов и протестированы. Все электрохимические испытания проводились при температуре 30 °C с использованием циклических зарядных устройств. Испытания на ток утечки позволили оценить стабильность межфазной границы по сравнению с эталонными алюминиевыми (Al) и NFM424 электродами. Структуру сольватации электролита исследовали с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР).
Кроме того, ученые провели анализ электродов после 50 циклов, в том числе с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией (ЭДРС), просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (СПЭМ) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС).
Испытания показали, что предложенная конструкция аккумуляторного элемента обеспечивает повышенную подвижность натрия, превосходя по этому показателю традиционные аналоги, которые быстрее выходили из строя и становились нестабильными. Кроме того, испытания на ток утечки подтвердили, что аккумуляторный элемент с мета-слабосольватирующим электролитом обеспечивает наилучшую межфазную стабильность при высоком напряжении, что соответствует снижению реакционной способности свободного растворителя и улучшению формирования межфазной границы «катод — электролит» (CEI).
Также было установлено, что после 500 циклов аккумулятор сохраняет 80 % своей емкости, в то время как у эталонных устройств этот показатель составляет 100–300 циклов. Электрохимическая импедансная спектроскопия показала, что такое улучшение связано с более низким сопротивлением переноса заряда, обусловленным более быстрой десольвацией натрия и более эффективным межфазным переносом.
«Эти особенности эффективно повышают электрохимическую стабильность элемента и замедляют деградацию активных материалов при длительном циклировании», — подчеркнул Фан.
Новая конструкция аккумуляторного элемента была представлена в статье «Метаслабосольватирующий электролит для высоковольтных натрий-ионных аккумуляторов», опубликованной в журнале Nano Energy.