Изследователи от Технологичния институт Карлсруе - KIT са характеризирали химичните процеси, протичащи в електродите на литиево-йонните батерии.
Литиево-йонните батерии са важна част от нашето ежедневие и функционират благодарение на образуването на пасивиращ слой по време на първоначалния им цикъл на зареждане. Чрез симулации, изследователи от Технологичния институт Карлсруе (KIT) откриха, че междинната фаза на твърдия електролит не се образува директно на електрода, а се натрупва в разтвора. Техните резултати проправят пътя за оптимизиране на производителността и живота на бъдещите батерии.
От смартфони до електрически автомобили – навсякъде, където се изисква мобилен източник на енергия, литиево-йонната батерия намира приложение. Съществена част от надеждната функция на тази и други батерии с течен електролит е междинната фаза на твърдия електролит (SEI). Пасивиращият слой се образува, когато напрежението се приложи за първи път и електролитът се разложи в непосредствена близост до повърхността.
Досега беше неясно как частиците в електролитите образуват слой с дебелина до 100 нанометра върху повърхността на електрода, тъй като реакцията на разлагане е възможна само в рамките на няколко нанометра разстояние от повърхността.
Пасивиращият слой на повърхността на анода е от решаващо значение за електрохимичния капацитет и живота на литиево-йонната батерия, тъй като е силно натоварен с всеки цикъл на зареждане. Когато SEI се разпадне по време на този процес, електролитът се разлага допълнително и капацитетът на батерията намалява – процес, който определя живота на батерията.
С правилното познаване на растежа и състава на SEI, свойствата на батерията могат да бъдат контролирани. Нито един експериментален или компютърно подпомаган подход досега, не е успял да дешифрира сложните процеси на растеж на SEI, които протичат в широки мащаби и в различни измерения.
Изследователи от Института по нанотехнологии в Карлсруе (INT) успяха да характеризират формирането на SEI с многомащабен подход. „Това разрешава мистерията за една от съществените характеристики на всички батерии с течен електролит – особено литиево-йонните батерии, които всички ние използваме всеки ден“, казва професор Волфганг Венцел, директор на изследователската група „Моделиране на многомащабни материали и виртуален дизайн“ в INT. Той участва в европейска изследователска инициатива BATTERY 2030+, която има за цел да разработи безопасни, достъпни, дълготрайни, устойчиви батерии с висока производителност за бъдещето.
За да изследват растежа и състава на пасивиращия слой на анода на батерии с течен електролит, изследователите от INT генерират съвкупност от над 50 000 симулации, представящи различни условия на реакция. Те откриват, че растежът на органичния SEI следва път, медииран от разтвор: Първо, прекурсорите на SEI, които се образуват директно на повърхността, се присъединяват далеч от повърхността на електрода чрез процес на нуклеация.
Последващият бърз растеж на ядрата води до образуването на порест слой, който покрива повърхността на електрода. Тези констатации предлагат разрешение на парадоксалната ситуация, в която съставките на SEI могат да се образуват само близо до повърхността, където има налични електрони, но растежът им ще спре, след като тази тясна област бъде покрита.
„Успяхме да идентифицираме ключовите параметри на реакцията, които определят дебелината на SEI“, обяснява д-р Сайбал Йана, постдокторант в INT и един от авторите на изследването. „Това ще позволи бъдещото развитие на електролити и подходящи добавки, които контролират свойствата на SEI и оптимизират производителността и живота на батерията.“