Высоковольтные концентрированные электролиты для литий-ионных аккумуляторов

Химический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова, Москва Сколковский институт науки и технологии, Москва

Суперконцентрированные (или высококонцентрированные) неводные растворы литиевых солей в последние годы привлекают пристальное внимание исследователей как новый класс жидких электролитов для литий-ионных аккумуляторов благодаря ряду отличительных характеристик, не свойственным стандартным 1-молярным электролитам [1]. Большинство работ по этой тематике посвящено изучению стабильности электролитов в катодной области потенциалов (преимущественно возможности (де)интеркаляции Li⁺ в графит без этиленкарбоната и подавлению дентдритообразования при использования металлического лития), и только в 2016 г. была опубликована статья, авторы которой показали улучшение анодной стабильности растворов бис(фторосульфурил)амида лития (LiFSA) в диметилкарбонате [2] при увеличении концентрации. Целью нашей работы стало исследование устойчивости в анодной области электролитов на основе других компонентов – в частности, гораздо более дешевого и распространенного тетрафторбората лития LiBF₄ и пропиленкарбоната (PC).

 В работе были исследованы 1М, 2М и 3М растворы LiBF₄ в PC. В качестве рабочих электродов использовали композит сажа/поливинилидендифторид (С/PVDF), а также высоковольтные катодные материалы: фосфат лития-кобальта LiCoPO₄ и оксид LiNi_0.5Mn_1.5O₄. LiCoPO₄ (разрядная емкость ~ 140 мАч/г) был получен с помощью сольвотермального метода синтеза, LiNi_0.5Mn_1.5O₄ (разрядная емкость ~ 125 мАч/г) – через смешанный карбонат Ni_0.25Mn_0.75CO₃. В качестве противоэлектрода использовали металлический литий.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что увеличение концентрации LiBF₄ с 1М до 3М способствует уменьшению необратимого анодного окисления электролита при потенциалах > 4.5 В отн. Li/Li⁺, увеличению кулоновской эффективности при циклировании высоковольтных катодных материалов до 5 В отн. Li/Li⁺ (вплоть до 95% для LiNi_0.5Mn_1.5O₄ в 3М-растворе) и, как следствие, улучшению их циклируемости.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (№ 14-29-04064 офи_м).

Литература:

[1] Y.  Yamada and A. Yamada, Review—Superconcentrated Electrolytes for Lithium Batteries, J.  Electrochem.  Soc., 162 (2015) pp. A2406-A2423

[2] J. Wang, Y. Yamada, K.Sodeyama, C.H. Chiang, Y. Tateyama, A. Yamada, Superconcentrated electrolytes for a high-voltage lithium-ion battery, Nat. Commun. 7, (2016) Article number: 12032