Исследователи Массачусетского технологического института (MIT) совершили прорыв в понимании химии литий-ионных аккумуляторов, что открывает путь к созданию более мощных батарей для электромобителей с ускоренной зарядкой.
Ученые разработали новую модель, которая переопределяет фундаментальную химическую реакцию, лежащую в основе работы таких аккумуляторов, – интеркаляцию. Производительность литий-ионных батарей определяется скоростью, с которой ионы лития внедряются в твердый электрод. Именно этот процесс управляет тем, как быстро аккумулятор может заряжаться и разряжаться, однако точный механизм, контролирующий эту скорость, до сих пор оставался неясным.
Новое исследование MIT включало точное измерение скоростей, с которыми ионы лития встраиваются в различные материалы электродов, и использование этих данных для создания пересмотренной модели данного процесса. Эта модель, названная Моделью Сопряженного Переноса Иона и Электрона (CIET), предполагает, что скорость контролируется реакцией сопряженного переноса иона и электрона. В этой реакции электрон переносится на электрод одновременно с ионом лития.
Модель может проложить путь к созданию более мощных и быстро заряжающихся литий-ионных аккумуляторов. Как пояснил профессор математики MIT Мартин Базант, долгое время ученые полагали, что скорость интеркаляции лития ограничена тем, как быстро ионы могут диффундировать, и это описывалось уравнением Батлера-Фольмера. Однако экспериментальные данные часто сильно различались и редко соответствовали его предсказаниям. Команда MIT использовала специальный электрохимический метод – применение повторяющихся коротких импульсов напряжения – для точного измерения скоростей интеркаляции. Полученные данные для более чем 50 комбинаций электролитов и электродов показали, что скорости интеркаляции значительно ниже, чем считалось ранее, и не соответствуют старой модели.
Разработанная альтернативная теория основана на том, что ион лития может внедриться в электрод только в том случае, если электрон одновременно переносится из электролита на электрод. Именно этот процесс, при котором литий интеркалируется в то же время, что и переносится электрон, и они способствуют друг другу, истинно контролирует скорость реакции. Этот механизм CIET также понижает энергетический барьер для реакции, становясь ее настоящим регулятором скорости.
Полученные данные предлагают два основных пути для улучшения аккумуляторов. Во-первых, это ускоренная зарядка: понимание того, как контролируется скорость реакции, позволит исследователям ускорить реакцию интеркаляции лития. Во-вторых, увеличение срока службы за счет снижения деградации батареи, поскольку модель может помочь уменьшить нежелательные побочные реакции. Исследование также показало, что скоростью интеркаляции можно активно управлять, изменяя состав электролита.