Ученые назвали причину, мешающую работе металл-ионных аккумуляторов
Российские учёные-электрохимики внесли значительный вклад в развитие фундаментальных основ переноса ионов лития, существенно усовершенствовав модель этого процесса в литий-ионных аккумуляторах. Это достижение открывает новые перспективы для прогнозирования и оптимизации процессов в альтернативных металл-ионных системах, что является ключевым фактором для развития перспективных энергетических технологий. Исследование, опубликованное в престижном журнале "Electrochimica Acta", представляет собой важный этап в данной области, демонстрируя высокий уровень научной компетентности и инновационный подход авторов.
Литий-ионные аккумуляторы, впервые появившиеся в 1990-х годах, стали основой для развития портативной электроники, благодаря их высокой энергетической плотности и длительному сроку службы. В настоящее время эти устройства находят широкое применение в электротранспорте, робототехнике и системах накопления энергии. Однако рост производства литий-ионных аккумуляторов сталкивается с рядом проблем, включая истощение литиевых ресурсов и высокие затраты на сырье.
Альтернативные аккумуляторные технологии, такие как калий-ионные, натрий-ионные и магний-ионные системы, требуют оптимизации для повышения энергетической плотности, удельной ёмкости и стабильности, что необходимо для их потенциального использования в качестве экономически и экологически эффективной замены литий-ионных батарей.
Для достижения этой цели необходимо детальное изучение процесса интеркаляции, который включает внедрение ионов лития в материал электрода. Этот сложный многостадийный процесс состоит из нескольких ключевых этапов: перенос ионов в растворе, десольватация, пересечение границы раздела электролит-электрод и диффузия в материале. Скорость всего процесса определяется самой медленной стадией, известной как лимитирующая стадия.
Коллектив исследователей из Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова и Сколковского института науки и технологий, под руководством доктора химических наук Виктории Никитиной, значительно усовершенствовал модель интеркаляции ионов лития в катод литий-ионного аккумулятора. В результате проведённых исследований было установлено, что медленная стадия зависит от типа электролита и его взаимодействия с катодным материалом, что ранее не было полностью учтено.
Ранее считалось, что диффузия ионов лития в катоде является основным фактором, ограничивающим скорость интеркаляции. Однако российские учёные доказали, что перенос ионов из раствора и десольватация также могут существенно замедлять процесс. Для получения данных использовались современные электрохимические методы и численное моделирование, что позволило провести детальный анализ различных стадий процесса в различных условиях.
Эксперименты проводились в различных растворителях с разными физико-химическими свойствами, что позволило определить, какие стадии становятся лимитирующими в зависимости от условий. Особое внимание уделялось образованию поверхностных слоёв (SEI) на анодах и катодах литий-ионных аккумуляторов, которые могут существенно влиять на электронный транспорт и реакции с электролитом, увеличивая внутреннее сопротивление и напряжение аккумулятора.
Виктория Никитина подчеркнула: "Мы выяснили, что формирование поверхностных слоёв значительно замедляет не только электронный, но и межфазный перенос ионов лития. В карбонатных растворителях этот процесс является наиболее медленным. В отсутствие таких слоев, например, в воде и ацетонитриле, лимитирующими стадиями становятся десольватация ионов лития или их адсорбция на поверхности катода".
Данное исследование представляет собой важный шаг вперёд в понимании фундаментальных механизмов переноса ионов в литий-ионных аккумуляторах и открывает новые возможности для разработки более эффективных и устойчивых альтернативных аккумуляторных технологий, пишет источник.