От смартфонов до электромобилей - везде, где требуется мобильный источник энергии, почти всегда эту работу выполняет литий-ионный аккумулятор. Важной частью надежной работы этой и других батарей с жидким электролитом является межфазное соединение твердого электролита (SEI). Этот пассивирующий слой образуется при подаче напряжения в первый раз. Электролит разлагается в непосредственной близости от поверхности. До сих пор оставалось неясным, каким образом частицы в электролитах образуют слой толщиной до 100 нанометров на поверхности электрода, поскольку реакция разложения возможна только на расстоянии нескольких нанометров от поверхности.

Пассивирующий слой на поверхности анода имеет решающее значение для электрохимической емкости и срока службы литий-ионной батареи, поскольку он подвергается высокой нагрузке при каждом цикле зарядки. Когда SEI разрушается во время этого процесса, электролит дополнительно разлагается и емкость батареи уменьшается - процесс, который определяет срок службы батареи. Обладая правильными знаниями о росте и составе SEI, можно управлять свойствами батареи. Но до сих пор ни одного экспериментального или компьютерного подхода не было достаточно, чтобы расшифровать сложные процессы роста SEI, которые происходят в очень широком масштабе и в разных измерениях.

Исследование в рамках инициативы ЕС BATTERY 2030+

Исследователям из Института нанотехнологий КИТ (INT) теперь удалось охарактеризовать формирование SEI с помощью многомасштабного подхода. "Это решает одну из величайших загадок, касающихся неотъемлемой части всех батарей с жидким электролитом, особенно литий-ионных батарей, которые мы все используем каждый день", - говорит профессор Вольфганг Венцель, директор исследовательской группы "Моделирование многомасштабных материалов и виртуальный дизайн" в INT, которая занимается крупномасштабным Европейская исследовательская инициатива BATTERY 2030+, целью которой является разработка безопасных, доступных по цене, долговечных и устойчивых высокоэффективных аккумуляторов будущего. Исследователи KIT сообщают о своих выводах в журнале Advanced Energy Materials.

Более 50 000 симуляций для различных условий реакции

Чтобы изучить рост и состав пассивирующего слоя на аноде батарей с жидким электролитом, исследователи из INT создали ансамбль из более чем 50 000 имитационных моделей, представляющих различные условия реакции. Они обнаружили, что рост органического SEI происходит по пути, опосредованному раствором: во-первых, предшественники SEI, которые образуются непосредственно на поверхности, присоединяются далеко от поверхности электрода в процессе зарождения. Последующий быстрый рост зародышей приводит к образованию пористого слоя, который в конечном итоге покрывает поверхность электрода. Эти результаты предлагают решение парадоксальной ситуации, когда компоненты SEI могут образовываться только вблизи поверхности, где доступны электроны, но их рост прекратится, как только эта узкая область будет покрыта. "Мы смогли определить ключевые параметры реакции, которые определяют толщину SEI", - объясняет доктор Сайбал Яна, постдок INT и один из авторов исследования. "Это позволит в будущем разрабатывать электролиты и подходящие добавки, которые контролируют свойства SEI и оптимизируют производительность батареи и срок ее службы". (или)