Ученые из Сколтеха предложили новое объяснение эффекта этиленкарбоната — «волшебного ингредиента» в составе электролитов литий-ионных батарей. Исследователи аккумуляторов годами пытались понять, почему это вещество взаимодействует с графитовыми анодами литий-ионных аккумуляторов иначе, чем родственный ему пропиленкарбонат. Эти результаты могут стать ориентиром для разработки более эффективных и безопасных электролитов и оптимизации производства литий-ионных аккумуляторов.
Обогащенная этиленкарбонатом граница раздела между жидким электролитом и слоистой структурой графитового электрода (справа) литий-ионного аккумулятора / © Сергей Лучкин, Сколтех (нарисовано в Blender 3.6)
Исследование опубликовано в Journal of Materials Chemistry A. На ранних этапах коммерциализации литий-ионных батарей ученые столкнулись с проблемой коррозии графитового анода: электролиты на основе пропиленкарбоната (ПК) хорошо взаимодействовали с металлическим литием, но оказались чрезвычайно агрессивными по отношению к графиту.
Это препятствовало использованию графитовых электродов до тех пор, пока в качестве альтернативного растворителя в составе электролита не был предложен этиленкарбонат (ЭК). Несмотря на сходство молекул ЭК и ПК с точки зрения электрохимии, они ведут себя по-разному в отношении графитовых анодов. Природа этого различия и поведение «волшебного растворителя» ЭК были предметом многочисленных исследований и обсуждений на протяжении десятилетий, но единого мнения у ученых до сих пор нет.
При этом вопрос носит не чисто теоретический характер, и ответ на него будет иметь значение при проектировании батарей не только в части выбора растворителя в составе электролита.
В своей статье старший научный сотрудник Сергей Лучкин и ведущий производственный инженер Егор Пажетнов из Центра энергетических технологий Сколтеха предположили, что при наличии ЭК в составе электролита на поверхности графита образуется тонкий слой очень вязкой жидкости. Именно он защищает графит от коррозионного расслаивания. Последующие эксперименты подтвердили, что такой слой действительно образуется в электролитах на основе ЭК и отсутствует при использовании ПК.
Примечательно, что этот слой вязкой жидкости появляется до формирования важного элемента литий-ионного аккумулятора — так называемого твердоэлектролитного слоя (SEI) — и, следовательно, должен влиять на процесс его образования. Твердоэлектролитный слой представляет собой тонкую пленку твердого электролита, которая образуется на поверхности анода при первичном заряде и разряде аккумулятора на заводе. Эта пленка предотвращает как деградацию графитового анода, так и восстановление электролита — электрохимический процесс, ухудшающий характеристики устройства.
Этот новый взгляд на межфазные процессы в литий-ионных аккумуляторах открывает новые перспективы для понимания взаимосвязи состава электролита и межфазной динамики между электролитом и анодом, что имеет решающее значение для создания более стабильных и эффективных аккумуляторов.
Предложенный в исследовании подход применим не только к широко распространенным литий-ионным, но и к появляющимся сейчас натрий- и калий-ионным аккумуляторам. Для этих технологий накопления энергии тоже актуальна проблема образования твердоэлектролитного слоя. Работа ученых из Сколтеха дает более глубокое понимание того, как физические свойства компонентов электролита влияют на межфазные процессы, что может ускорить инновации в области накопления энергии.
Исследование, освещенное в пресс-релизе, поддержано грантом Российского научного фонда.
