Водный литий-ионный аккумулятор — это литий-ионный аккумулятор (Li-ion), который использует концентрированный солевой раствор в качестве электролита для облегчения переноса ионов лития между электродами и создания электрического тока . [1] В отличие от неводных литий-ионных аккумуляторов, водные литий-ионные аккумуляторы не воспламеняются и не представляют существенной опасности взрыва из-за водной природы их электролита. Они также лишены ядовитых химикатов и экологических рисков, связанных с их неводными аналогами. [2] [3]
Водные литий-ионные аккумуляторы в настоящее время сильно ограничены в использовании из-за их узкого электрохимического окна стабильности (1,23 В). При изготовлении с использованием обычных методов водный литий-ионный аккумулятор имеет гораздо меньшую плотность энергии , чем неводный литий-ионный аккумулятор, и может достигать максимального напряжения только 1,5 вольта. Однако исследователи из Мэрилендского университета (UMD) и Исследовательской лаборатории армии (ARL) сделали возможным, чтобы водный литий-ионный аккумулятор оставался электрохимически стабильным при напряжении около 3,0 вольт и выдерживал серьезные внешние повреждения в степени, недоступной неводным литий-ионным аккумуляторам. [3]
Прототип литий-ионной водной аккумуляторной батареи был впервые предложен Джеффом Даном в 1994 году, который использовал оксид лития-марганца в качестве положительного электрода и диоксид ванадия бронзовой фазы в качестве отрицательного электрода. [4] В 2014 году группа исследователей под руководством Чуншёнга Вана из UMD и Кан Сю из ARL создала новый класс водных электролитов, называемых электролитами вода-в-соли (WiSE) , которые работали по принципу, согласно которому высокая концентрация определенного типа литиевой соли приводила к образованию защитной твердоэлектролитной интерфазы (SEI) между поверхностями электродов и электролитом в батареях на водной основе. Ранее считалось, что это явление может происходить только в неводных батареях. [2] [3] Используя этот подход для создания SEI, Ван и Сюй растворили чрезвычайно высокие концентрации бис(трифторметансульфонил)имида лития (LiTFSI) в воде (моляльность > 20 м), чтобы создать WiSE, который расширил окно напряжения с 1,5 В до примерно 3,0 В. [5] [6] Полученные водные литий-ионные батареи также были способны циклироваться до 1000 раз с почти 100% кулоновской эффективностью . [3]
В 2017 году исследовательская группа Вана и Сюй разработала «неоднородную добавку» для покрытия графитового электрода в их водной литий-ионной батарее, что позволило батарее достичь порога 4 В и работать до 70 циклов на этом уровне или выше. [7] [8] Покрытие, созданное с использованием чрезвычайно гидрофобного и высокофторированного эфира (HFE), 1,1,2,2-тетрафторэтил-2′,2′,2′-трифторэтилового эфира, вытесняло молекулы воды с поверхности электрода. [1] [8] 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 медленно реагирующей природы SEI [3] При резке, внешнем проколе, воздействии соленой воды и баллистических испытаниях батарея не выделяла дыма или огня и продолжала работать даже при серьезных внешних повреждениях. [6]
Водные литий-ионные батареи представляют большой интерес для военного использования из-за их безопасности и долговечности. В отличие от высоковольтных, но нестабильных неводных литий-ионных батарей, водные литий-ионные батареи имеют потенциал служить более надежным источником энергии на поле боя, поскольку внешнее повреждение батареи не снижает производительность и не приводит к ее взрыву. Кроме того, они легче традиционных батарей и могут изготавливаться в различных формах, что позволяет использовать более легкое снаряжение и более эффективно размещать его. [6]
Меньший риск опасности, связанный с водными литий-ионными аккумуляторами, делает их привлекательными для отраслей, производящих транспортные средства, для которых безопасность важнее плотности энергии, например, самолеты и подводные лодки. [8]
Узкое электрохимическое окно стабильности водных литий-ионных аккумуляторов остается узким местом для разработки высокоэнергетических водных аккумуляторов с длительным сроком службы и безупречной безопасностью. [9] Электролиз воды происходит за пределами окна стабильности, вызывая образование либо кислорода, либо водорода. Поддержание низкого выходного напряжения позволяет избежать выделения газа и способствует стабильности циклирования, однако это ограничивает плотность энергии и использование высоковосстанавливающих и высокоокисляющих электродов. С другой стороны, непрерывное выделение газа водой во время высоковольтного цикла батареи или холостого хода снижает кулоновскую эффективность (CE) и вызывает серьезные опасения по поводу безопасности, связанные со взрывами. [9]
Водные литий-ионные аккумуляторы имеют относительно короткий срок службы аккумулятора, 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 аккумуляторов, имеющими более высокую плотность энергии. Кроме того, необходимо будет решить вопросы, связанные с производством защитного покрытия HFE, прежде чем можно будет масштабировать производство аккумуляторов для коммерческого использования. [8]