Исследовательская группа из UNIST продемонстрировала, что жидкие электролиты в замороженном состоянии способны обеспечивать проводимость ионов лития, достаточную для работы батареи, — опровергая традиционное представление о том, что электролиты должны находиться в жидком состоянии для функционирования. Исследование также выявило механизм переноса ионов лития в органических ледяных электролитах, открывая новые возможности для разработки твердоподобных электролитов для литий-металлических батарей (ЛМБ).
Результаты исследования опубликованы в онлайн-журнале Advanced Materials.
Как был изготовлен замороженный электролит
Под руководством профессора Хён-Кона Сонга из Школы энергетики и химической инженерии UNIST и профессора Дон-Хва Со из Департамента материаловедения и инженерии KAIST команда создала органический ледяной электролит на основе этиленкарбоната (EC), циклического карбоната, широко используемого в коммерческих батареях.
Они исследовали, насколько хорошо электролит проводит ионы и насколько эффективно он транспортирует ионы лития в замороженном состоянии. Результаты показали, что эти электролиты работают за счёт скачкообразного механизма внутри твердой структуры, образованной иммобилизованными молекулами растворителя.
Почему замороженные электролиты важны для литий-ионных аккумуляторов
В обычных литий-ионных батареях электролит представляет собой жидкий раствор солей лития, растворенных в органических растворителях, что позволяет ионам лития перемещаться между электродами во время зарядки и разрядки.
Температура плавления этиленкарбоната составляет около 37 °C, поэтому при комнатной температуре (~25 °C) он находится в твердом состоянии. Обычно его смешивают с другими растворителями, чтобы снизить температуру плавления. Однако в данном исследовании был разработан электролит, содержащий лишь небольшое количество соли лития , что позволило поддерживать его в замороженном, ледоподобном состоянии.
Характеристики и преимущества ледяного электролита
Результаты экспериментов показали, что этот «ледяной электролит» обладал ионной проводимостью около 0,64 мСм/см и числом переноса ионов лития около 0,8 — значениями, сопоставимыми с показателями современных твердых электролитов.
При использовании в литий-металлических батареях замороженный электролит выдержал более 400 циклов заряда-разряда при комнатной температуре без внутренних коротких замыканий, демонстрируя стабильную и надёжную работу.
Литий-металлические батареи рассматриваются как перспективное решение для хранения энергии в будущем, поскольку они способны накапливать до 50% больше энергии, чем обычные батареи. Однако их более широкое применение ограничено такими проблемами, как образование дендритов — острых отложений лития, которые могут вызывать короткие замыкания, — и реакции между металлическим литием и жидкими электролитами.
Механизм ионного прыжкового переноса и перспективы дальнейших исследований
Исследователи объяснили, почему ледяной электролит работает так хорошо. Их анализ показал, что в замороженном состоянии молекулы растворителя иммобилизованы, а ионы лития перемещаются, перескакивая между соседними атомами кислорода в молекулах растворителя. Такое целенаправленное движение ионов уменьшает побочные реакции и предотвращает образование дендритов — острых отложений, которые могут проколоть сепараторы и привести к поломкам.
Профессор Сонг сказал: «Хотя многие предполагают, что твердые электролиты должны быть жесткими неорганическими материалами или специальными полимерами, наши результаты показывают, что даже рыхлая, похожая на лёд структура молекул растворителя может обеспечивать эффективную ионную проводимость. Сейчас мы изучаем комбинации органических растворителей с более высокими температурами плавления, чтобы сделать этот подход практичным для реальных применений».
Бессменный главный редактор, в незапамятные времена работал в издании РБК
