Китайские ученые разработали материал электролита для литий-ионных аккумуляторов, который позволяет батареям работать при отрицательных температурах вплоть до −70 градусов Цельсия. Емкость батарей на основе предложенного электролита и органических электродов при такой температуре составляет около 70 процентов от их емкости при комнатной температуре, пишут ученые в Joule.

Одна из проблем литий-ионных аккумуляторов — резкое уменьшение емкости при падении температуры ниже нуля. Наиболее морозостойкие батареи продолжают работать и при температурах до −40 градусов Цельсия, однако их емкость при этом снижается примерно до 12 процентов. Связано это с тем, что вещество электролита или просто замерзает, или сильно падает его проводимость по ионам лития.

Китайские химики под руководством Юняо Ся (Yongyao Xia) из Фуданьского университета разработали новый материал органического электролита на основе этилацетата. В качестве литийсодержащего компонента в электролите выступает бис(трифторметансульфонил)имид лития (LiTFSI). Такой электролит обладает достаточной для нормальной работы аккумулятора ионной проводимостью как при высоких температурах (до 55 градусов Цельсия), так и при достаточно низких отрицательных температурах. Даже при −70 градусах Цельсия его проводимость по ионам лития составляет 0,2 миллисименса на сантиметр. Для сравнения, у одного из часто используемых электролитов LB303 на основе LiPF6, при комнатной температуре проводимость заметно выше, чему у этилацетатного электролита, но при снижении температуры до −40 градусов Цельсия падает сразу на 3 порядка.

Зависимость ионной проводимости от температуры для предложенной батареи (красные точки) и для традиционного электролита LB303 (синие точки)
Зависимость ионной проводимости от температуры для предложенной батареи (красные точки) и для традиционного электролита LB303 (синие точки)

На основе этого электролита ученые сделали ячейки с двумя типами электродов. В первой батарее электроды состояли из интеркаляционных соединений (анод — на основе манганата лития, катод — на основе покрытого углеродом смешанного фосфата лития и титана), а во второй — из органических полимерных материалов (анод — на основе диангидрида нафталинтетракарбоновой кислоты, а катод — из политрифениламина), в которых ионы Li+ и TFSI- хорошо растворяются даже при очень низких температурах.

Оказалось, что органические полимерные электроды действительно позволяют перезаряжаемой литий-ионной батарее работать и при комнатной, и при достаточно низкой отрицательной температуре. При −70 градусах Цельсия емкость такой батареи по сравнению с емкостью при комнатной температурой падает всего на 30 процентов. При этом, однако, для катодов на основе слоистых интеркаляционных соединений авторам работы не удалось добиться достаточной скорости растворения ионов лития, и такая ячейка так и не заработала при отрицательных температурах.

Авторы работы отмечают, что разработанные ими литий-ионные аккумуляторы перспективны для использования в первую очередь в качестве кратковременных источников энергии при низких температурах, в частности, для космических приложений.

В качестве альтернативного варианта решения проблемы переохлаждения литий-ионных аккумуляторов при низких температурах ученые предлагают встраивать в батареи внутренние нагревательные элементы, которые активируются при охлаждении и не дают батарее замерзнуть.