Исследование было опубликовано в номере от 10 февраля Сообщения о природе, рецензируемый научный журнал с открытым доступом, издаваемый Nature Portfolio. Чжэн Ли, аспирант-исследователь Школы химической инженерии Дэвидсона, был ведущим автором.

В центре внимания ViPER Group находится разработка и изготовление материалов высокой емкости для более безопасных литий-ионных, литий-сернистых, натриево-ионных, твердотельных и сверхнизкотемпературных аккумуляторных систем следующего поколения.

"Быстрый рост технологий накопления энергии, направленных на снижение предлагаемых целевых показателей выбросов углекислого газа, и огромные требования к системам накопления энергии также существуют на рынках потребительской электроники и электромобилей. Они требуют литий-ионных батарей следующего поколения с более высокой плотностью энергии и повышенной безопасностью", - говорит Вилас Пол, профессор химической инженерии, который с 2014 года возглавляет ведущие лаборатории Purdue по изготовлению аккумуляторов, электрохимическим и термическим испытаниям на безопасность.

Замена обычного графитового анодного материала на высокоэнергетический металлический литий является очень многообещающим подходом. Однако этот анодный материал "святого грааля" страдает от серьезных недостатков, таких как низкая циклируемость, безопасность и т.д.

"С точки зрения фундаментальных исследований новых технологий LMB крайне важно тщательно разработать подходящий химический состав жидкого электролита, который работает с перспективными анодами и катодами", - сказал Пол.

В своем исследовании исследователи продемонстрировали, что электролит на основе эфира с низкой концентрацией может успешно выдерживать длительную работу при высоком напряжении (4,3 В) практического LMB в приемлемых для промышленности конфигурациях при использовании высокополярного дипропилового эфира в качестве растворителя электролита.

"Реализация долгосрочного циклического использования металлического анода Li и высоковольтного катода одновременно с разбавленным электролитом на основе эфира является главной задачей в этом исследовании", - сказал Ли. "Эфиры обладают плохой устойчивостью к окислению, несмотря на их разумную совместимость с металлическим анодом Li. Таким образом, нашей целью было расширить их возможности в области высокого напряжения. На молекулярном уровне мы подтвердили существенную корреляцию между поведением сольватации электролитов на основе разбавленного эфира и их производительностью на высоковольтном положительном электроде".

Корреляции были дополнительно интерпретированы с помощью детального моделирования классической молекулярной динамики (MD) и расчетов по теории функционала плотности (DFT) в сочетании с мультимодальным экспериментальным анализом. Было продемонстрировано, что регулирование структуры сольватации электролитов на основе эфира может изменять порядок разложения сольватирующих частиц и избирательно формировать надежную защиту на поверхности катода. Он также регулирует состав поверхностного электрического двойного слоя, чтобы предотвратить окисление эфира.

Этот уникальный подход к подавлению кинетики отличается от традиционных стратегий, таких как использование электролита сверхвысокой концентрации или введение молекулярного фторирования для улучшения стабильности электролита, что значительно увеличивает стоимость батареи. Ожидается, что LMB, разработанный ViPER group, повысит плотность энергии на 40% по сравнению с обычными литий-ионными батареями.

Исследовательская работа финансируется партнерством Naval Enterprise Partnership совместно с Университетами национального превосходства (NEPTUNE), Управлением военно-морских исследований.