Почему литий-ионные аккумуляторы со временем разряжаются, даже если они не используются? Исследователи обнаружили простую причину, которую легко устранить.
Дело всего лишь в том, что скрученные электроды этих батарей скреплены простой липкой лентой из полиэтилентерефталата. Когда аккумулятор нагревается, этот банальный пластик распадается на диметилтерефталат (ДМТ) и эта молекула действует как электрохимический челнок, разряжая аккумулятор.
Литий-ионные аккумуляторы являются наиболее важными источниками питания для мобильных устройств от мобильных телефонов до ноутбуков и электромобилей. Высокая плотность энергии, сравнительно малый вес и длительный срок службы делают эти аккумуляторы практически незаменимыми. Однако даже они не идеальны: при длительном использовании литиевые отложения приводят к постепенной потере работоспособности, а при перегреве литиевые батареи могут даже взорваться.
И есть еще одна проблема, с которой в повседневной жизни сталкивался почти каждый: даже если литий-ионные аккумуляторы не используются, со временем они теряют заряд. Ученые давно подозревали, что в этом саморазряде виноват так называемый редокс-шаттл. Это электрохимически активная молекула, которая восстанавливается на катоде батареи и при этом поглощает электрон. Затем он мигрирует к аноду и там снова окисляется, отдавая электроны.
«На каждый электрон, который переносится таким образом с отрицательного электрода на положительный, туда также перемещается ион лития и, таким образом, вызывает саморазряд», объясняют Себастьян Бюхеле из Университета Далхаузи в Галифаксе, Канада, и его коллеги. Но какая молекула стоит за этим? И откуда молекулярный челнок в литий-ионных батареях?
Чтобы выяснить это, Бюхеле и его команда тщательно изучили различные типы литий-ионных аккумуляторов, в том числе аккумуляторы NMC, устанавливаемые в электромобили, ноутбуки и другие мобильные устройства. Для этого они подвергали батареи воздействию различных температур, разбирали их и проверяли их химический состав и электрохимическое поведение отдельных компонентов.
Оказалось, что, когда батареи нагревались, их обычно бесцветный электролит менял цвет. При температуре более 25 градусов он становился слегка желтоватым, затем оранжевым и, наконец, при 70 градусах интенсивно темно-красным. В то же время электрохимические измерения указывали на активный окислительно-восстановительный процесс в батареях. Затем команда смогла выяснить, какая молекула отвечает за это, с помощью химического анализа с использованием, среди прочего, газовой хроматографии и масс-спектрометрии.
Удивительный результат: «Согласно нашим экспериментам, только диметилтерефталат (ДМТ) можно рассматривать как потенциальный окислительно-восстановительный челнок в электролитах», сообщают Бюхеле и его коллеги. Однако это органическое соединение с бензольным кольцом является не чем иным, как основной единицей обычного пластикового ПЭТФ (полиэтилентерефталата). Таким образом, молекула-челнок, похищающая заряд, является компонентом пластика, который содержится в пластиковых бутылках и бесчисленных повседневных предметах.
Но как этот пластик попадает в литий-ионные аккумуляторы? ПЭТ-пластик не является частью активных компонентов батареи. Но в обычных аккумуляторных батареях для скрепления плотно скрученных слоев электродов используется клейкая лента, и эта лента сделана из ПЭТ. «Мы никогда не ожидали этого, потому что никто не обращает внимания на эти неактивные компоненты», говорит старший автор Майкл Мецгер из Университета Далхаузи. «Но именно химическое разрушение этой ленты создает окислительно-восстановительную молекулу челнока».
Таким образом, в том, что литий-ионные аккумуляторы со временем разряжаются, виновата простая клейкая лента. Как только аккумулятор немного прогревается, начинаются химические реакции, которые атакуют пластик и расщепляют его на основные составляющие. Высвобожденный диметилтерефталат затем становится электрохимическим челноком, который постепенно разряжает батарею.
Это коммерчески значимое открытие, отметил Мецгер. Благодаря этим знаниям теперь можно решить проблему разрядки. Замена ПЭТ-липкой ленты другим, менее восприимчивым материалом также устраняет риск выброса ДМТ. Команда уже контактирует с производителями аккумуляторов, в том числе с Майкрософтом.
