Исследователи из Сколтеха предложили новое объяснение давней загадки в науке о литий-ионных аккумуляторах, которая связана с ролью этиленкарбоната в электролитах. Их исследование, опубликованное в журнале Journal of Materials Chemistry A, даёт новое представление о том, почему этиленкарбонат и пропиленкарбонат ведут себя по-разному по отношению к графитовым анодам в литий-ионных аккумуляторах.

Проблема коррозии графитового анода была одной из первых проблем, с которой столкнулись исследователи в начале эпохи коммерческих литий-ионных аккумуляторов. Электролиты на основе пропиленкарбоната, которые были дружественными к металлическому литию, оказались едкими по отношению к графиту. Эта проблема препятствовала использованию графитовых электродов до тех пор, пока не был представлен этиленкарбонат в качестве альтернативы пропиленкарбонату.

Граница между молекулами этиленкарбоната (слева) и слоистой структурой графита (справа). Графит используется в анодах, а этиленкарбонат — в жидких электролитах литий-ионных аккумуляторов. Источник: Blender 3.6 by Sergey Luchkin / Skoltech

Хотя молекулы этиленкарбоната и пропиленкарбоната очень похожи с электрохимической точки зрения, они ведут себя совершенно по-разному по отношению к графитовым анодам. Это явление, известное как несоответствие EC-PC, широко исследовалось и обсуждалось среди учёных и производителей аккумуляторов на протяжении десятилетий, но консенсуса до сих пор нет.

Исследователи из Сколтеха предположили, что присутствие этиленкарбоната в электролите приводит к образованию тонкого слоя очень вязкой жидкости на поверхности графита. Этот слой защищает графит, предотвращая проникновение слишком большого количества молекул электролита между его слоями и, в конечном итоге, отслоение слоёв графита и повреждение анода.

Эксперименты, проведённые для проверки этой гипотезы, подтвердили, что этот слой действительно появляется в электролитах на основе этиленкарбоната, но не в электролитах на основе пропиленкарбоната. Примечательно, что вязкий жидкий слой появляется раньше и, следовательно, влияет на формирование твердоэлектролитной интерфазы, которая является важнейшим компонентом литий-ионных аккумуляторов.

При использовании в качестве растворителя в электролите аккумулятора этиленкарбонат создаёт защитный слой (вверху слева) на графитовом электроде, что приводит к образованию твёрдой электролитной интерфазы (внизу слева). Напротив, при использовании пропиленкарбоната графит остаётся уязвимым к деградации.  Источник: Blender 3.6 by Sergey Luchkin / Skoltech

Это понимание процессов на границе раздела в литий-ионных аккумуляторах даёт новый взгляд на взаимодействие между составом электролита и динамикой на границе раздела анод-электролит, что имеет решающее значение для разработки более стабильных и эффективных аккумуляторов.

Подход, предложенный в исследовании, выходит за рамки литий-ионных аккумуляторов, предлагая ценные идеи для новых дополнительных технологий натрий и калий-ионных аккумуляторов. Исследование расширяет понимание того, как физические свойства компонентов электролита влияют на динамику интерфейса, потенциально ускоряя инновации в области хранения энергии.

«Наше исследование даёт новое представление о роли этиленкарбоната в литий-ионных аккумуляторах и объясняет, почему этот материал ведёт себя по-разному по отношению к графитовым анодам. Это открытие имеет важное значение для разработки более безопасных и эффективных литий-ионных аккумуляторов», — сказал Сергей Лучкин, старший научный сотрудник Сколтеха.

«Мы надеемся, что наше исследование будет полезным для разработки новых технологий хранения энергии, таких как натрий и калий-ионные аккумуляторы. Мы продолжаем исследовать возможности этих технологий и надеемся, что они будут иметь значительное влияние на будущее хранения энергии», — добавил Егор Пажетнов, ведущий инженер-технолог Сколтеха.

Подробнее на iXBT