Аккумуляторы станут безопаснее

Исследователи из Японии разработали огнестойкие электролиты для источников питания, которые работают не хуже, а в ряде случаев даже лучше, чем электролиты, применяемые сегодня («Nature Energy», 2017, doi: 10.1038/s41560-017-0033-8).

До сих пор при производстве аккумуляторов приходилось выбирать между опасностью возгорания и стабильностью электрода. Новые аккумуляторы и негорючи, и анод в них надежно защищен пассивирующей пленкой

Литий-ионные аккумуляторы — сердце современной бытовой электроники: они обеспечивают достаточно высокое напряжение и высокую плотность заряда. Но есть у них и недостаток — из-за горючих электролитов литий-ионные аккумуляторы пожароопасны. Разработка натрий-ионных аккумуляторов, комплексы которых планируют использовать для хранения возобновляемой энергии, еще увеличивает риск: при концентрации в одном месте большого количества источников питания один загоревшийся аккумулятор способен поджечь всю систему.

Обычно электролит в литий- или натрий-ионном аккумуляторе представляет собой разбавленный раствор гексафторфосфата щелочного металла в легко воспламеняющейся жидкой смеси органических карбонатов — сложных эфиров угольной кислоты. Во время первого цикла зарядки электролит разлагается на аноде, формируя тонкую пассивирующую пленку, которая стабилизирует электрод в дальнейших циклах. К электролиту пытались добавлять антипиреновые вещества, например триметилфосфат, но такой электролит не обеспечивал необходимую пассивацию анода, защитная пленка покрывала его не полностью, и при зарядке электролит непрерывно разрушался с выделением газообразных продуктов.

Исследовательская группа под руководством Ацуо Ямады из Университета Токио создали полностью пожаробезопасные литий- и натрий-ионные аккумуляторы, отказавшись от обычных карбонатных электролитов. Вместо них ученые использовали раствор соли — бис(трифторсульфурил)имида соответствующего металла в чистом триметилфосфате. В нем можно растворить больше соли, а значит, поместить в источник питания больше ионов щелочных металлов, чем содержится в обычных коммерчески доступных аккумуляторах. Электролит нового типа образует устойчивую пассивирующую пленку, несмотря на отсутствие карбонатов, — анализ показал, что этот слой образуется в результате разложения не жидкого компонента электролита, а растворенной соли.

Такой подход не только увеличивает огнестойкость. Натрий-ионные аккумуляторы с новым типом электролита сохраняли 95% емкости после 1200 циклов зарядка-разрядка. Это значительно превосходит возможности натрий-ионных аккумуляторов, в которых используется классический электролит, — их емкость существенно понижается уже после 200 циклов. Литий-ионные источники питания с новым электролитом не демонстрируют никаких преимуществ в производительности по сравнению с коммерчески доступными образцами, однако и не уступают им. Сам Ямада уверен в перспективности пожаробезопасных аккумуляторов и полагает, что более строгую проверку нужно проводить уже не в условиях университетской лаборатории, а на производстве, с учетом всех испытаний, которым аккумуляторы подвергают изготовители бытовой электроники.

По материалам журнала "Химия и жизнь" (2018, № 2)