Электрохимики выяснили, что мешает работе металл-ионных аккумуляторов

Дата публикации: 22 апреля 2019

Российские электрохимики усовершенствовали кинетическую модель переноса иона лития в литий-ионных аккумуляторах с различными электролитами. Результаты ученых помогут эффективно прогнозировать скорости реакций в альтернативных металл-ионных системах. Результаты исследования опубликованы в журнале Electrochimica Acta.

Стремительное развитие технологии литий-ионных аккумуляторов, появившейся в начале 90-ых годов XX века, произошло в связи с ростом популярности портативной электроники: мобильных телефонов, ноутбуков, планшетов и других гаджетов. Сейчас рынок источников энергии продолжает развиваться благодаря повсеместному внедрению электротранспорта, робототехники, систем хранения и распределения электроэнергии. Но дальнейшее быстрое развитие технологии литий-ионных аккумуляторов упирается в серьёзную проблему — возможное исчерпание литиевых ресурсов при нынешнем уровне технологий добычи, а также высокой и непрерывно растущей стоимости сырья.

Альтернативные металл-ионные аккумуляторы (калий-ионные, натрий-ионные, магний-ионные) требуют оптимизации для того, чтобы достичь более высоких показателей ёмкости, плотности энергии и стабильности в циклическом режиме работы. Такая оптимизация необходима для того, чтобы новые металл-ионные системы могли заменить дорогостоящие и не всегда безопасные литий-ионные аккумуляторы. 

Чтобы оптимизировать работу электрохимической системы, необходимо понимать, как протекает реакция интеркаляции — внедрения иона из электролита в структуру электродного материала. Интеркаляция — многостадийный процесс, включающий в себя этапы переноса иона в растворе, десольватацию (потеря ионом сольватной оболочки из молекул растворителя), перенос иона через межфазную границу электролит/электрод, диффузию в структуре электродного материала. Наиболее медленная, лимитирующая стадия определяет скорость всего процесса.

Сотрудники химического факультета МГУ и Сколковского института науки и технологии под руководством научного сотрудника кафедры электрохимии химического факультета МГУ Виктории Никитиной модернизировали модель интеркаляции лития в катод и показали, что лимитирующая стадия зависит от природы электролита и его взаимодействия с поверхностью катодного материала. Существующие кинетические модели предполагают протекание медленной стадии диффузии лития в материале, однако российские химики показали, что это не всегда так. Лимитирующими стадиями могут оказаться перенос иона из раствора в катодный материал и десольватация катиона.

Экспериментальные данные исследователи получали с помощью электрохимических методов - циклической вольтамперометрии, хроноамперометрии и спектроскопии импеданса в трёхэлектродной электрохимической литиевой ячейке. Учёные проводили численное моделирование большого объема экспериментальных данных, чтобы определить ключевые кинетические параметры процесса.

Чтобы понять, в каких именно условиях возникают лимитирующие стадии различного типа, ученые проводили эксперименты в нескольких растворителях с сильно отличающимися сольватационными и адсорбционными свойствами. В литий-ионных аккумуляторах на поверхности анодных и катодных материалов в стандартных коммерческих электролитах происходит образование поверхностных слоев (SEI), которые блокируют электронный транспорт и предотвращают реакции окисления или восстановления электролита. Такая блокировка позволяет повысить напряжение на аккумуляторе.

«Мы показали, что при образовании поверхностных слоев тормозится не только электронный транспорт, но и межфазный перенос ионов лития. Именно эта стадия оказывается наиболее медленной в карбонатных растворителях. В то же время, в растворителях, где не образуются подобные поверхностные слои (вода, ацетонитрил), лимитирующими оказываются другие стадии — стадия десольватации иона или его адсорбции на поверхности катодного материала», — пояснила Виктория Никитина.

Поделиться: