Совместная исследовательская группа, возглавляемая доктором Миной Ли из Исследовательского центра накопления энергии, профессором Донг-Хва Сео из KAIST и доктором Дж. Йонг-Джин Ким и Джейон Бэк из Корейского института промышленных технологий (KITECH) разработали негорючий электролит, который не загорается при комнатной температуре, путем изменения молекулярной структуры линейного органического карбоната для предотвращения возгорания и теплового выхода в литий-ионных батареях.
По мере расширения использования литий-ионных аккумуляторов среднего и крупного размера в электромобилях и системах накопления энергии (ESS) растут опасения по поводу пожаров и взрывов.
Возгорания в батареях возникают, когда батареи подвергаются короткому замыканию из-за внешних воздействий, неправильного обращения или старения, а явление теплового выброса, сопровождающееся последовательными экзотермическими реакциями, затрудняет тушение пожара и создает высокий риск получения травм. В частности, линейный органический карбонат, используемый в коммерческих электролитах для литий-ионных аккумуляторов, имеет низкую температуру воспламенения и легко воспламеняется даже при комнатной температуре.
До сих пор для снижения воспламеняемости электролита широко применялось интенсивное фторирование молекулами растворителя или высококонцентрированными солями. В результате транспорт литий-ионов в электролите был снижен в тех электродах, которые были несовместимы с коммерческими электродами, что ограничивало их коммерциализацию.
Одновременно применяя удлинение алкильной цепи и алкокси-замещение к молекуле диэтилкарбоната (DEC), типичного линейного органического карбоната, используемого в коммерческих электролитах для литий-ионных аккумуляторов, исследователи разработали новый электролит, бис (2-метоксиэтил) карбонат (BMEC), с повышенной температурой вспышки и ионной проводимостью за счет увеличения межмолекулярных связей. взаимодействия и способность к растворению.
Раствор BMEC имеет температуру вспышки 121 °C, что на 90 °C выше, чем у обычного раствора DEC, и, таким образом, не воспламеняется в диапазоне температур для обычной работы от аккумулятора.
Результаты теста на проникновение гвоздя в аккумуляторные батареи емкостью 4 АЧ с использованием обычного и нового электролита. Фото: Корейский институт науки и техники
BMEC может диссоциировать соль лития сильнее, чем ее простой алкилированный аналог, дибутилкарбонат (DBC), решая проблему более медленного переноса ионов лития при снижении воспламеняемости за счет усиления межмолекулярного взаимодействия. В результате он сохраняет более 92% первоначальной производительности обычного электролита при значительном снижении опасности возгорания. Кроме того, новый электролит уменьшил выделение горючего газа на 37% и выделение тепла на 62% по сравнению с обычным электролитом.
Исследовательская группа продемонстрировала стабильную работу литий-ионных аккумуляторов емкостью 1 Ач в течение 500 циклов, объединив новый электролит с катодом с высоким содержанием никеля и графитовым анодом. Они также провели тест на проникновение гвоздя в литий-ионную батарею емкостью 4 Ач, заряженную на 70%, и подтвердили подавленный тепловой выброс. Исследование опубликовано в журнале Energy & Environmental Science.
Доктор Мина Ли из KIST сказала: “Результаты этого исследования открывают новое направление в разработке негорючих электролитов, которые неизбежно были принесены в жертву электрохимическим свойствам или экономической целесообразности”.
(Слева) Электролит коммерческого литий-ионного аккумулятора (DEC) и новый электролит (BMEC), разработанный совместной исследовательской группой KIST, KITECH и KAIST (справа).
“Разработанный негорючий электролит обладает конкурентоспособной стоимостью и превосходной совместимостью с электродными материалами с высокой плотностью энергии, поэтому ожидается, что он будет применен в традиционной инфраструктуре производства аккумуляторов. В конечном счете, это ускорит появление высокоэффективных аккумуляторов с превосходной термостойкостью”.
Доктор Джейон Бэк из KITECH заявил: “Решение BMEC, разработанное в рамках этого исследования, может быть синтезировано путем 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”.
