1019
Науковці Колумбійського університету виявили в літій-іонних акумуляторах процес, який довго залишався майже непоміченим: значна частина іонів літію в електроліті може об’єднуватися в позитивно заряджені кластери. У досліджених системах частка таких груп сягала приблизно 40%, причому кластери формувалися без участі аніонів. Це суперечить спрощеному уявленню, що літій в електроліті переважно існує як окремі іони, оточені молекулами розчинника.
Електроліт виконує в батареї роль транспортного середовища: під час заряджання й розряджання іони літію рухаються між електродами. Від того, з якими молекулами вони взаємодіють і в якому стані перебувають, залежить стабільність акумулятора, швидкість перенесення заряду й хімія на поверхні електродів. Нові розрахунки показали, що зі зростанням концентрації солі ймовірність утворення літієвих кластерів теж збільшується.
Особливо важливим виявився зв’язок із формуванням твердої електролітної міжфази — SEI. Це тонкий захисний шар, який утворюється на аноді внаслідок перших реакцій електроліту. Якість і склад SEI сильно впливають на ресурс і безпеку батареї: хороший шар пропускає іони літію, але стримує небажане подальше розкладання електроліту.
Квантово-хімічні розрахунки показали, що кластери літію легше вступають у реакції відновлення, які запускають утворення SEI, ніж одиничні іони. Це може пояснити, чому певні суміші розчинників і висококонцентровані електроліти демонструють несподівано хорошу стабільність навіть тоді, коли класичні моделі не повністю пояснюють результат.
Для дослідження команда поєднала комп’ютерне моделювання з машинним навчанням і експериментальні методи, зокрема ядерний магнітний резонанс. Такий підхід дозволив перевіряти структуру електроліту на атомному рівні, а не лише оцінювати поведінку готової батареї.
Готового акумулятора з подвоєним ресурсом автори поки не представили. Значення роботи в іншому: розробники отримують новий параметр, який можна враховувати під час підбору солей і розчинників. Якщо кластеризація справді визначає важливу частину хімії SEI, майбутні електроліти можна буде проєктувати значно точніше ще до тривалих циклічних випробувань.
