Результаты ученых помогут эффективно прогнозировать скорости реакций в альтернативных металл-ионных системах
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.
Пресс-служба МГУ
