У Сколтеху пояснили значення ключового інгредієнта електролітів літій-іонних акумуляторів.

Дослідження опубліковано в Journal of Materials Chemistry A. На ранніх етапах комерціалізації літій-іонних батарей науковці зіткнулися з проблемою корозії графітового анода: електроліти на основі пропіленкарбонату (ПК) добре взаємодіяли з металевим літієм, але виявилися вкрай агресивними щодо графіту.

Це заважало використанню графітових електродів до тих пір, поки в якості альтернативного розчинника в складі електроліту не був запропонований етиленкарбонат (ЕК). Незважаючи на схожість молекул ЕК і ПК з точки зору електрохімії, вони поводяться по-різному стосовно графітових анодів. Природа цієї різниці та поведінка «чарівного розчинника» ЕК були предметом численних досліджень і обговорень протягом десятиліть, але єдиного думки у науковців досі немає.

При цьому питання не є чисто теоретичним, і відповідь на нього матиме значення при проєктуванні батарей не тільки в частині вибору розчинника в складі електроліту.

У своїй статті старший науковий співробітник Сергій Лучкін та провідний виробничий інженер Єгор Пажетнов з Центру енергетичних технологій Сколтеха припустили, що при наявності ЕК у складі електроліту на поверхні графіту утворюється тонкий шар дуже в'язкої рідини. Саме він захищає графіт від корозійного розшарування. Наступні експерименти підтвердили, що такий шар дійсно утворюється в електролітах на основі ЕК і відсутній при використанні ПК.

Цікаво, що цей шар в'язкої рідини з'являється до формування важливого елемента літій-іонного акумулятора — так званого твердоеlektrolitного шару (SEI) — і, отже, має впливати на процес його формування. Твердоеlektrolitний шар являє собою тонку плівку твердого електроліту, яка утворюється на поверхні анода під час первинного заряду та розряду акумулятора на заводі. Ця плівка запобігає як деградації графітового анода, так і відновленню електроліту — електрохімічному процесу, що погіршує характеристики пристрою.

Цей новий погляд на міжфазні процеси в літій-іонних акумуляторах відкриває нові перспективи для розуміння взаємозв'язку складу електроліту та міжфазної динаміки між електролітом і анодом, що має вирішальне значення для створення більш стабільних і ефективних акумуляторів.

Запропонований у дослідженні підхід застосовний не лише до широко поширених літій-іонних, але й до нових натрій- і калій-іонних акумуляторів. Для цих технологій накопичення енергії також актуальна проблема утворення твердоеlektrolitного шару. Робота науковців із Сколтеха дає глибше розуміння того, як фізичні властивості компонентів електроліту впливають на міжфазні процеси, що може прискорити інновації в галузі накопичення енергії.

Дослідження, висвітлене в прес-релізі, підтримується грантом Російського наукового фонду.