Энергоемкость самых мощных в мире литий-фторуглеродных батарей повысили в МФТИ

Российские ученые смогли увеличить энергоемкость самых мощных в мире литий-фторуглеродных батарей. Они необходимы для устройств, способных работать без обслуживания десятки лет в разных условиях. Это могут быть кардио- и нейростимуляторы, беспилотные летательные аппараты, межпланетные аппараты, спутники, навигационные модули и автономные датчики в удаленных регионах.

Среди всех одноразовых, т. е. неперезаряжаемых, химических источников тока по всем параметрам лидируют литий-фторуглеродные элементы. Одна такая батарейка несет в себе в несколько раз больше энергии, чем лучшие одноразовые батареи других типов, например, литий-тионилхлоридные и превосходит по удельной энергии даже многоразовые литий-ионные аккумуляторы.

Из-за низкой деградации материалов они очень стабильны: если собрать и оставить нетронутой такую батарейку на 10 лет, она сохранит практически весь заряд. Кроме того, она гарантированно сработает в жару, на холоде и в вакууме и не требует замены длительного времени. Все это делает их незаменимыми для высокотехнологичных легких и компактных устройств.

Но есть и проблемы. Во время работы батареи на катоде образуется плотный слой побочных продуктов. Он мешает ионам лития свободно двигаться, и батарея разряжается быстрее. Чтобы нивелировать этот эффект, ученые института электродвижения МФТИ разработали специальный состав электролита, содержащий сульфоксидную добавку.

Молекулы добавки вступают в реакцию на поверхности катода, в отличие от стандартных компонентов электролита. В итоге на катоде образуется тонкий слой продуктов, защищающий катодный материал от деградации и через который могут двигаться ионы лития.

«Представьте, что катодный материал как стекло смартфона — прочный, проводящий, но дополнительная защита от повреждений сделает его только лучше. Наша добавка в электролит, как защитная наклейка на стекло смартфона — предотвращает деградацию, но позволяет сохранять свои функции. В итоге КПД батареи повышается», — объяснила Софья Морозова, ведущий научный сотрудник-заведующий лаборатории технологий ионообменных мембран МФТИ.

Эксперименты показали: батарея с модифицированным электролитом показала удельную емкость 875 мА·ч/г — это более чем на 3,4% выше, чем у элемента со стандартным электролитом (846 мА·ч/г).

«Эти дополнительные проценты энергии показывают, что мы научились тонко управлять процессом на границе раздела электрод-электролит и небольшими, но уверенными шагами приближаемся к теоретическому пределу батареи», — добавила Софья Морозова.

Сегодня ученые уже собрали опытные образцы элементов и в стенах лаборатории доказали ее эффективность. Следующий шаг — оптимизировать составы для разных температурных режимов работы (от -60°C до +60°C), увеличить КПД и внедрить технологию в реальные устройства на примере БПЛА.

Такие батареи идеально подойдут для устройств, где важна стабильная энергия: кардио нейростимуляторы длительного действия, микроспутники с гарантированным сроком службы на орбите, навигационные модули спецтехники, готовые к работе после многолетнего хранения, и автономные датчики в Арктике, способные годами работать без обслуживания, сообщили в пресс-службе МФТИ.