Вчені винайшли спосіб оптимізувати роботу метал-іонних акумуляторів

Акумулятор

Нещодавно стало відомо, що російські електрохіміки вдосконалили кінетичну модель перенесення іона літію в літій-іонних акумуляторах з різними електролітами. Це допоможе ефективніше прогнозувати швидкості реакцій в альтернативних метал-іонних системах. Результати відповідного дослідження вже опублікували у журналі Electrochimica Acta.

До стрімкого розвитку технології літій-іонних акумуляторів, які з’явилася на початку 90-их років XX століття, призвела популярність портативної електроніки: мобільних телефонів, ноутбуків, планшетів та інших гаджетів. Сьогодні ринок джерел енергії продовжує інтенсивно розвиватися завдяки впровадженню електротранспорту, робототехніки, систем зберігання і розподілу електроенергії. Але подальший розвиток технології літій-іонних акумуляторів ускладнює серйозна проблема — можливий дефіцит літієвих ресурсів при нинішньому рівні технологій видобутку, а також висока вартість сировини.

Альтернативні метал-іонні акумулятори (калій-іонні, натрій-іонні, магній-іонні), щоб досягти вищих, у порівнянні з літій-іонними аналогами, показників ємності, щільності енергії й стабільності в циклічному режимі роботи, вимагають оптимізації. Така оптимізація необхідна для того, щоб нові метал-іонні системи могли замінити дорогі та не завжди безпечні літій-іонні акумулятори.

Щоб оптимізувати роботу електрохімічної системи, необхідно розуміти, як протікає реакція інтеркаляції — впровадження іона з електроліту в структуру електродного матеріалу. Інтеркаляція — багатостадійний процес, який починається з перенесення іона в розчині, десольватації (втрати іоном сольватної оболонки з молекул розчинника), перенесення іона через міжфазну межу електроліт / електрод та його дифузії у структурі електродного матеріалу. Остання стадія вважається найповільнішою (лімітуючою) і саме від неї залежить швидкість протікання усього процесу

Співробітники хімічного факультету Московського державного університету та Сколковського інституту науки й технології зуміли модернізувати модель інтеркаляції літію в катод і показали, що лімітуюча стадія залежить від природи електроліту та його взаємодії з поверхнею катодного матеріалу. Російські хіміки навели докази, що лімітуючими стадіями також можуть бути етапи перенесення іона з розчину в катодний матеріал і десольватація катіона.

Експериментальні дані дослідники одержували за допомогою електрохімічних методів. Також у ході роботи вони проводили чисельне моделювання великого обсягу експериментальних даних, щоб визначити ключові кінетичні параметри процесу. Щоб зрозуміти, у яких саме умовах виникають лімітуючі стадії різного типу, вчені проводили експерименти в декількох розчинниках із абсолютно різними властивостями. В літій-іонних акумуляторах на поверхні анодних і катодних матеріалів у стандартних комерційних електролітах відбувається утворення поверхневих шарів (SEI), які блокують електронний транспорт і запобігають реакції окислення або відновлення електроліту. Таке блокування дозволяє підвищити напругу на акумуляторі.

Російські дослідники, у свою чергу, продемонстрували, що при утворенні поверхневих шарів гальмується не лише електронний транспорт, але й міжфазове перенесення іонів літію. Саме ця стадія виявилася найповільнішою в карбонатних розчинниках. Водночас у розчинниках, де не утворюються подібні поверхневі шари (вода, ацетонітрил), лімітуючими виявилися інші стадії — десольватація іона або його адсорбція на поверхні катодного матеріалу.