После 1000 циклов зарядки и разрядки графитовый анод с новой фторсодержащей добавкой сохранил до 95,6% емкости. В контрольных элементах без добавки этот показатель составил 62,7%, а заметное снижение емкости началось примерно после 350 циклов. К такому результату пришли исследователи Японского передового института науки и технологий (JAIST). Ученые разработали соединение pentafluorophenyl thiophene imine, или FPTI. Его добавляли в стандартный электролит в концентрациях 2 и 4 мг/мл.
FPTI помогает стабилизировать защитный слой, который образуется на поверхности графитового анода в первые циклы работы аккумулятора. Этот слой, называемый SEI (solid electrolyte interphase), должен пропускать ионы лития и одновременно защищать электрод от нежелательных химических реакций с электролитом. Если SEI становится нестабильным, аккумулятор быстрее теряет емкость, а его внутреннее сопротивление увеличивается.
По данным экспериментов, фторсодержащая часть FPTI способствует формированию богатого фторидом лития (LiF) защитного слоя. Соединения серы и производные иминогруппы также включаются в структуру межфазного слоя. В результате граница между электролитом и графитом становится более стабильной, а движение ионов лития облегчается. При концентрации FPTI 4 мг/мл сопротивление защитного слоя снизилось с 7,6 до 2,2 Ом по сравнению с аккумулятором без добавки. Сопротивление переноса заряда уменьшилось с 41,8 до 19,8 Ом. Исследователи также зафиксировали заметное увеличение диффузии ионов лития.
После 1000 циклов элементы с 2 и 4 мг/мл FPTI сохранили соответственно 89,4% и 95,6% максимальной емкости. Контрольные элементы без добавки сохранили только 62,7%. Затем ученые проверили технологию в более сложной конфигурации с катодом NMC811 и графитовым анодом. Оказалось, что непосредственное добавление FPTI в систему с катодом ухудшает ее характеристики из-за роста сопротивления. Поэтому исследователи использовали соединение только на этапе предварительной обработки графитового анода, чтобы сформировать на нем защитный слой, а затем собирали аккумулятор со стандартным электролитом.
В такой конфигурации лучшие результаты также показал анод, обработанный FPTI в концентрации 4 мг/мл. Удельная энергия получившегося элемента составила около 233 Вт. ч/кг. Для концентрации 2 мг/мл этот показатель был примерно 192 Вт. ч/кг, а для контрольной системы без обработки — около 130 Вт. ч/кг. Авторы отмечают, что более стабильный анод потенциально может увеличить срок службы литий-ионных аккумуляторов, сократить необходимость их замены и снизить расход сырья. При этом сама работа показывает, что электролитная добавка должна подбираться с учетом всей конструкции батареи: вещество, полезное для одного электрода, может одновременно ухудшать характеристики другого. Пока результаты получены в лабораторных экспериментах. Чтобы оценить практический потенциал разработки, ее предстоит испытать в аккумуляторах большего формата и при различных условиях эксплуатации.
Также недавно 3D-печатный электрод повысил эффективность проточных батарей на 52%.