Аккумуляторы, где анод сделан из металлического лития, уже показывают рекордную энергоемкость — свыше 500 Вт·ч/кг. Но путь к их широкому использованию преграждают старые проблемы: рост опасных дендритов, недолгий срок службы и низкий КПД при перезарядке. Один из проверенных способов решить эти задачи — подобрать правильный состав электролита. И здесь на помощь приходят специальные добавки, недорогой и эффективный метод для будущего производства. Проблема в том, что найти добавку, которая работает сразу на нескольких фронтах, чрезвычайно сложно. И вот ученые из Нанкайского университета обнаружили, что с этой ролью прекрасно справляются соединения бора.

Исследователи протестировали четыре разных боросодержащих добавки. Чтобы выявить самую эффективную, они проанализировали распределение электростатического потенциала (ЭСП) в их молекулах. Чем более положительный заряд на участке молекулы, тем сильнее он притягивает отрицательные ионы. Лучший результат показала добавка THFPB — трис (гексафторизопропил)борат. Ее молекула обладает максимальным положительным электростатическим потенциалом среди всех кандидатов, что делает ее идеальным «ловцом» ненужных анионов в электролите.

Подробности опубликованы в издании Science China Chemistry.

Оказалось, что борные добавки приносят батареям тройную пользу.

• Во-первых, их выраженный электронодефицитный характер помогает растворять слой оксида лития (Li₂O) на поверхности анода. Это снижает сопротивление на границе раздела и позволяет ионам лития двигаться свободнее.
• Во-вторых, они способны растворять фторид лития (LiF) в порах катода из фторида углерода (CFₓ). Это ключ к созданию мощных литий-фторидных батарей: ионы начинают быстрее диффундировать, что резко повышает разрядную емкость и позволяет батарее работать на высоких токах без потери мощности.
• В-третьих, на катоде эти добавки окисляются, формируя прочную защитную пленку (катодную межфазную границу). Эта пленка стабилизирует высоковольтные катоды и значительно продлевает жизненный цикл всей батареи.

Отметим также комплексный и прагматичный подход работы. Ученые предложили многофункциональный инструмент, который точечно решает три разные, но критически важные проблемы LMB одновременно: стабилизирует анод, «реанимирует» перспективные катодные материалы вроде CFₓ и защищает высоковольтный катод. Это может стать мостом между лабораторными прототипами и коммерческими продуктами. В перспективе такие электролиты могут удешевить и ускорить создание безопасных аккумуляторов с экстремальной энергоемкостью для электромобилей следующего поколения и портативной электроники.

Основной вопрос, который пока остается без ответа, — это долгосрочная стабильность и возможное побочное влияние самих борных добавок в течение тысяч циклов зарядки. Исследование демонстрирует многообещающий механизм, но типичная проблема таких работ — тестирование в идеализированных лабораторных условиях (например, с избытком лития, малыми площадями электродов). Настоящим испытанием будет работа в полноразмерной ячейке с ограниченным количеством лития и высокой плотностью энергии, где все побочные реакции и деградация компонентов проявляются ярче.

Ранее ученые разработали батарею с повышенными характеристиками.