E&ES: Новый электролит предотвращает возгорание и тепловой выброс в аккумуляторах

Йонг-Джин Ким и Джайеон Бэк из Корейского института промышленных технологий разработали невоспламеняющийся электролит, который не загорается при комнатной температуре благодаря изменению молекулярной структуры линейного органического карбоната.

По мере расширения использования средних и крупных литий-ионных батарей в электромобилях и системах накопления энергии (ESS) растет обеспокоенность по поводу пожаров и взрывов. Пожары в аккумуляторах возникают при коротком замыкании в результате внешних воздействий, небрежного обращения или старения, а явление теплового разгона, сопровождающееся последовательными экзотермическими реакциями, затрудняет тушение пожара и создает высокий риск травмирования людей. В частности, линейный органический карбонат, используемый в коммерческих электролитах для литий-ионных аккумуляторов, имеет низкую температуру вспышки и легко загорается даже при комнатной температуре, что часто и является непосредственной причиной возгорания.

До сих пор для снижения горючести электролита широко применялось интенсивное фторирование в молекулах растворителя или высококонцентрированных солей. В результате транспорт литий-иона в электролите снижался или он оказывался несовместимым с коммерческими электродами, что ограничивало их коммерциализацию.

Применяя одновременное удлинение алкильной цепи и алкокси-замещение в молекуле диэтилкарбоната (DEC) — типичного линейного органического карбоната, используемого в коммерческих электролитах для литий-ионных батарей, исследователи разработали новый электролит — бис (2-метоксиэтил) карбонат (BMEC), обладающий повышенной температурой вспышки и ионной проводимостью за счет увеличения межмолекулярных взаимодействий и способности к сольватации.

Температура вспышки раствора BMEC составляет 121°C, что на 90°C выше, чем у обычного раствора ДЭК, и поэтому он не воспламеняется в температурном диапазоне работы обычных аккумуляторов. BMEC способен диссоциировать соль лития сильнее, чем его простой алкилированный аналог — дибутилкарбонат (DBC), что позволяет решить проблему замедленного транспорта ионов лития при снижении горючести за счет увеличения межмолекулярного взаимодействия. В результате он сохраняет более 92% от первоначальной скоростной способности традиционного электролита при значительном снижении пожароопасности.

Кроме того, новый электролит снизил выделение горючих газов на 37% и тепловыделение на 62% по сравнению с обычным электролитом. Исследовательская группа продемонстрировала стабильную работу литий-ионных аккумуляторов емкостью 1 Ач в течение 500 циклов, сочетая новый электролит с высоконикелевым катодом и графитовым анодом. Кроме того, они провели испытание на пробивание гвоздем 70% заряженного литий-ионного аккумулятора емкостью 4 Ач и подтвердили подавление теплового разряда.

Доктор Мина Ли (Minah Lee) из KIST заявляет:

Результаты этого исследования открывают новое направление для разработки невоспламеняющихся электролитов, при создании которых неизбежно приносились в жертву электрохимические свойства или экономическая целесообразность.

Разработанный негорючий электролит обладает конкурентоспособностью по стоимости и отличной совместимостью с электродными материалами с высокой энергетической плотностью, поэтому ожидается, что он будет применяться в традиционной инфраструктуре производства батарей. В конечном итоге это ускорит появление высокоэффективных батарей с отличной термостабильностью.

Д-р Jayeon Baek из KITECH заключает:

Разработанный в данном исследовании раствор BMEC может быть синтезирован методом переэтерификации с использованием недорогих катализаторов и легко масштабируется. В будущем мы разработаем метод синтеза с использованием газа C1 (CO или CO2), чтобы еще больше повысить его экологичность.

Результаты опубликованы в издании Energy & Environmental Science.

01.08.2023