Обычные электролиты на основе карбоната обеспечивают поток заряда между анодом и катодом в литий-ионных батареях. И хотя этот подход оставался успешным в течение последних трех десятилетий, обычные электролиты ограничены при более высоких напряжениях и температурах. Электролиты на основе карбонатов также легко воспламеняются и являются слишком внутренне неустойчивыми для использования с более агрессивными химическими веществами. Теперь же, учёные из Исследовательской лаборатории армии США, Калифорнийского университета в Сан-Диего и Городского университета Нью-Йорка придумали альтернативу электролита, не содержащего карбонатов, – дешёвую, безопасную и лучше работающую при высоких напряжениях и температурах.
Для разрешения этой проблемы на химическом уровне, вместо использования добавок была разработана новая система бескарбонатных электролитов, которая демонстрирует превосходные характеристики цикличности, по сравнению с современным уровнем техники.
В отличие от карбонатных электролитов, выделяющих двуокись углерода в условиях высокого напряжения, температуры или кислотности, новый электролит на основе простой двухкомпонентной системы растворителя, сульфолана и соли литий-бис (фторсульфонил) имид (LiFSI) не выделяет газ даже при окислении. Высокопроводящая литиевая соль образует уникальные интерфазы (межфазные поверхности) как на положительных графитовых анодах, так и на высоковольтных отрицательных катодах. На аноде богатая LiF интерфаза подавляет совместную интеркаляцию растворителя и эксфолиацию графита.
Исследователи и раньше были осведомлены о привлекательных свойствах сульфолана в качестве электролитного растворителя, таких как отличная окислительная и высокотемпературная стабильность, низкая стоимость и высокая диэлектрическая проницаемость (постоянная).
Но они также осознали и его очевидный недостаток – неспособность работать с графитовыми анодами. Однако, используя сульфолан в сочетании с LiFSI, исследователи продемонстрировали стабильности электролита с графитовым анодом и высоковольтным катодом даже в большом количестве циклов зарядки и разрядки. Более того, сульфолан дешев и легко доступен, потому что он используется для очистки природного газа и других нефтепродуктов.
Тем не менее, остаются и другие задачи на будущее в этом вопросе. Например, предстоит решить такие проблемы, как вязкость электролита, плохое поведение при смачивании и производительность при низких температурах. Хотя и высказывается надежда, что с этими недостатками должно успешно справиться сочетание сорастворителей и добавок.
Другим серьёзным препятствием является промышленное расширение производства соли, которое уже началось и привело к значительному снижению стоимости в лабораторных условиях.
В настоящее время исследователи активно работают над оптимизацией электролита с сорастворителями и добавками, изучая его использование с литиевыми металлическими анодами, что уже свидетельствует о дальнейших перспективах.
