Китайская литий-металлическая батарея достигла 602,5 Вт·ч/кг

Китайские исследователи разработали высокостабильный литий-металлический пакетный элемент с энергоплотностью свыше 600 Вт·ч/кг, что потенциально может решить проблему ограниченной продолжительности полёта беспилотных летательных аппаратов и электрических летательных аппаратов вертикального взлёта и посадки.

Энергоплотность достигла 602,5 Вт·ч/кг

Элемент создан совместной группой учёных из лаборатории Тяньмушань и Университета Цинхуа с применением нового электролитного добавки, предназначенной для защиты обоих электродов.

Исследование направлено на преодоление проблем стабильности, циклической жизни и безопасности, которые до сих пор ограничивали коммерческое применение литий-металлических аккумуляторов с высокой энергоплотностью.

Типичные промышленные литий-ионные аккумуляторы используют графитовые аноды и приближаются к теоретическому пределу энергоплотности — около 350 Вт·ч/кг. Этот потолок затрудняет удовлетворение требований к выносливости новых электрических летательных аппаратов.

Литий-металл представляет собой альтернативу с более высокой ёмкостью, однако он создаёт значительные технические сложности: разложение электролита при высоковольтной эксплуатации и рост игольчатых литиевых дендритов на аноде.

Дендриты снижают стабильность аккумулятора и создают риски для безопасности. Учёные долгое время не могли достичь высокой энергоплотности без ущерба для циклической жизни или безопасной работы.

Китайская команда протестировала свою электролитную конструкцию в пакетных элементах ёмкостью 10 А·ч с катодами на основе высоконикелевого тернарного соединения. Эти элементы продемонстрировали энергоплотность 550,7 Вт·ч/кг и сохранили 80 % первоначальной ёмкости после 180 циклов.

При использовании литий-металлического анода в паре с литий-богатым марганцевым катодом обратимая удельная энергия возросла до 602,5 Вт·ч/кг.

Согласно представленным результатам, это превышает показатели существующих силовых аккумуляторов более чем на 50 %.

Новая добавка обеспечивает защиту обоих электродов

Достижение основано на так называемой «структуре сильной координационной сольватации», которую исследователи описывают как ключевой элемент новой электролитной системы. В её основе — новый электролитный компонент, контролирующий реакции на электродах аккумулятора.

На катоде добавка формирует тонкую и плотную защитную плёнку, снижающую повреждение катодного материала при многократных циклах зарядки и разрядки при высоком напряжении.

На литий-металлическом аноде добавка создаёт стабильный интерфейсный слой, подавляющий образование литиевых дендритов, повышающий эффективность переноса ионов лития и снижающий связанные с этим риски безопасности.

Защита обоих электродов позволяет сбалансировать свойства, одновременное достижение которых ранее представляло собой серьёзную техническую задачу для литий-металлических аккумуляторов: высокую энергоплотность, циклическую стабильность и безопасность эксплуатации.

Увеличение продолжительности полёта остаётся перспективной целью

Исследование потенциально может поддержать растущую низкоальтитудную экономику Китая, где беспилотные летательные аппараты и электрические летательные аппараты вертикального взлёта и посадки разрабатываются для широкого спектра коммерческих применений.

Однако их более широкое внедрение по-прежнему ограничено количеством энергии, которое аккумуляторы могут хранить без чрезмерного увеличения массы.

Аккумулятор с энергоплотностью на уровне 600 Вт·ч/кг способен накапливать значительно больше энергии при той же массе по сравнению с существующими промышленными элементами.

Это может способствовать увеличению времени нахождения электрических летательных аппаратов в воздухе, хотя в исследовании не приводятся конкретные оценки продолжительности полёта.

Технология пока не готова к коммерческому внедрению: исследователи указывают, что она остаётся на стадии лабораторных исследований и потребует дальнейшей технической доработки перед возможным масштабным производством.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.