Рентгеновское исследование указало путь совершенствования литиевых батарей

Литий-ионные батареи, сделавшие возможной мобилизацию портативной электроники, нуждаются в дополнительном улучшении — увеличении энергоемкости, снижении стоимости, ускорении зарядки и удлинении сроков эксплуатации — для применения в электромобилях и накопительных системах солнечных и ветроэлектростанций.

Возможный путь осуществления этого нашли специалисты из Berkeley Lab в ходе исследований модельного жидкого электролита методом рентгеновской абсорбционной спектроскопии с использованием отвода Beamline 8.0.1 синхротронного источника излучения Advanced Light Source (ALS).

Неожиданные экспериментальные результаты, полученные коллективом во главе с Ричардом Сайкалли (Richard Saykally) и Стивеном Харрисом (Steven Harris), и интерпретированные теоретиком Девидом Прендергастом (David Prendergast) методами молекулярной динамики и теории функционала плотности, были представлены в статье, которая вышла в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.

«Важнейшим процессом в литий-ионных батареях является транспорт ионов лития между электродами, — объясняет Сайкалли, химик из отдела химических наук Berkeley Lab. — Коммерческие батареи используют жидкий электролит из соли лития, растворенной в эфире угольной кислоты. В индустрии нет единого мнения в отношении природы локальной сольвационной среды ионов лития в этих растворах. Между тем это имеет критическое значение, поскольку десольватация ионов при их движении в негативном электроде, считается фактором, ограничивающим получаемую электроэнергию».

Большинством компьютерных симуляций ранее прогнозировалась тетраэдрическая сольватная структура, но работа Сайкалли, Прендергаста и Харриса оспаривает эти результаты. Она дает число сольватации 4,5, соответствующее структуре сольватной оболочки ионов лития отличной от тетраэдра (число 2 или 3, в зависимости от преобладания ионных пар).

«Базируясь на наших результатах, численные модели, используемые при проектировании усовершенствованных электролитов, в дальнейшем должны выходить за пределы тетраэдрических координационных структур», — отметил эксперт по литий-ионным батареям Харрис из отдела материаловедения Berkeley Lab.