Войти
Водная литий-ионная (Li-ion) батарея - это литий-ионная батарея, которая использует концентрированный солевой раствор в качестве электролита для облегчения переноса ионов лития между электродами и индукции электрического тока. В отличие от неводных литий-ионных аккумуляторов, водные литий-ионные аккумуляторы негорючие и не представляют значительного риска взрыва из-за водной природы их электролита. В них также отсутствуют ядовитые химические вещества и экологические риски, связанные с их неводными аналогами.
Водные литий-ионные аккумуляторы в настоящее время сильно ограничены в использовании из-за их узкого электрохимического окна стабильности (1,23 V). При изготовлении с использованием обычных методов литий-ионный аккумулятор на водной основе имеет гораздо меньшую плотность энергии, чем неводный литий-ионный аккумулятор, и может достигать максимального напряжения только 1,5 вольт. Однако исследователи из Университета Мэриленда (UMD) и Армейской исследовательской лаборатории (ARL) позволили литий-ионному аккумулятору на водной основе оставаться электрохимически стабильным при 4,0 В и выдерживать серьезное внешнее повреждение, степень которого не наблюдается в неводных литий-ионных батареях.
Прототип водной аккумуляторной батареи был впервые предложен Джеффом Даном в 1994 году, который использовал в качестве положительного электрода и бронзовую фазу диоксид ванадия как отрицательный электрод. В 2014 году группа исследователей во главе с Чуншунг Ван из UMD и Кан Сю из ARL создала новый класс водных электролитов, названный водно-солевыми электролитами (WiSE), которые работали по принципу высокой Концентрация особого типа соли лития привела к образованию защитной межфазной границы твердого электролита (SEI) между поверхностями электродов и электролитом в аккумуляторах на водной основе. Ранее считалось, что это явление может происходить только в неводных батареях. Используя этот подход для создания SEI, Ван и Сюй растворили чрезвычайно высокие концентрации бис (трифторметансульфонил) имида лития (LiTFSI) в воде (молярность>20 м), чтобы создать WiSE, который расширил окно напряжения с 1,5 В. примерно до 3,0 В. Полученные в результате водные литий-ионные батареи также были способны циклически повторяться до 1000 раз с почти 100% кулоновской эффективностью.
В 2017 году исследовательская группа Ван и Сюй разработала «неоднородную добавку» для покрытия графитового электрода в их водной Литий-ионный аккумулятор, который позволил аккумулятору достичь порогового значения 4 В и проработать до 70 циклов на этом уровне или выше. Покрытие, созданное с использованием чрезвычайно гидрофобного и высокофторированного эфира (HFE), вытесняет молекулы воды с поверхности электрода. Это сводит к минимуму конкурирующее разложение воды и создает благоприятную среду для образования SEI. Эта версия батареи также продемонстрировала устойчивость к экстремальным уровням злоупотреблений из-за медленной реакции SEI. При резке, внешнем проколе, воздействии соленой воды и баллистических испытаниях батарея не выделяла ни дыма, ни огня и продолжали работать даже с серьезными внешними повреждениями.
Водные литий-ионные аккумуляторы представляют большой интерес для использования в военных целях благодаря своей безопасности и долговечности. В отличие от высоковольтных, но летучих неводных литий-ионных аккумуляторов, водные литий-ионные аккумуляторы могут служить более надежным источником энергии на поле боя, поскольку внешнее повреждение аккумулятора не приведет к снижению производительности или к взрыву. Кроме того, они менее тяжелые, чем традиционные батареи, и могут быть изготовлены в различных формах, что позволяет использовать более легкое оборудование и более эффективное размещение.
Меньший риск опасности, связанной с водным Li -ионовые батареи делают их привлекательными для отраслей, в которых безопасность важнее плотности энергии, таких как самолеты и подводные лодки.
Литий-ионные водные батареи имеют относительно короткий срок службы батареи, от 50 до 100 циклов. По состоянию на 2018 год проводятся исследования по увеличению количества циклов до 500–1000 циклов, что позволит им реально конкурировать с другими типами батарей, которые имеют более высокую плотность энергии. Кроме того, необходимо решить проблемы, связанные с производством защитного покрытия HFE, прежде чем можно будет масштабировать производство аккумуляторов для коммерческого использования.
