Проектирование батареи - это процесс, состоящий из трех частей. Вам нужен положительный электрод, вам нужен отрицательный электрод и - что немаловажно - вам нужен электролит, который работает с обоими электродами.

Электролит - это компонент батареи, который переносит ионы - частицы, несущие заряд, - назад и вперед между двумя электродами батареи, заставляя батарею заряжаться и разряжаться. Для современных литий-ионных аккумуляторов химический состав электролита относительно четко определен. Однако для будущих поколений батарей, разрабатываемых по всему миру и в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE), вопрос о конструкции электролита остается широко открытым.

"В то время как мы сосредоточены на конкретной концепции электролитов, которые будут работать с современными коммерческими батареями, для литий-ионных батарей, помимо литий-ионных батарей, дизайн и разработка различных электролитов будут иметь решающее значение", - сказала Ширли Мэн, главный научный сотрудник Аргоннского совместного центра науки о хранении энергии (ACCESS) и профессор молекулярная инженерия в Притцкеровской школе молекулярной инженерии Чикагского университета. "Разработка электролитов - это один из ключей к прогрессу, которого мы добьемся в превращении этих более дешевых, долговечных и мощных аккумуляторов в реальность и в одном важном шаге к продолжению декарбонизации нашей экономики".

В новой статье, опубликованной в журнале Science, Мэн и его коллеги изложили свое видение дизайна электролита в батареях будущих поколений.

По словам Мэна, даже относительно небольшие отклонения от современных аккумуляторов потребуют переосмысления конструкции электролита. По ее словам, переход от никельсодержащего оксида к материалу на основе серы в качестве основного компонента положительного электрода литий-ионной батареи может дать значительные преимущества в производительности и снизить затраты, если ученые смогут выяснить, как повторно использовать электролит.

Что касается других химикатов, не связанных с литий-ионными батареями, таких как перезаряжаемые натрий-ионные или литий-кислородные, ученым также придется уделить значительное внимание вопросу электролита.

Одним из основных факторов, который ученые учитывают при разработке новых электролитов, является то, как они имеют тенденцию образовывать промежуточный слой, называемый интерфазой, который использует реакционную способность электродов. "Межфазные промежутки крайне важны для функционирования батареи, потому что они контролируют, как селективные ионы поступают в электроды и выходят из них", - сказал Мэн. "Промежуточные фазы функционируют как ворота для остальной части батареи; если ваши ворота не функционируют должным образом, селективный транспорт не работает".

Ближайшая цель, по словам команды, заключается в разработке электролитов с правильными химическими и электрохимическими свойствами, чтобы обеспечить оптимальное формирование межфазных связей как на положительном, так и на отрицательном электродах батареи. Однако в конечном счете исследователи полагают, что им, возможно, удастся разработать группу твердых электролитов, которые были бы стабильны при экстремальных (как высоких, так и низких) температурах и позволили бы батареям с высокой энергией иметь гораздо более длительный срок службы.

"Твердотельный электролит для полностью твердой батареи изменит правила игры", - сказал Венкат Сринивасан, директор ACCESS, заместитель директора Объединенного центра исследований в области хранения энергии и соавтор статьи. "Ключом к твердотельной батарее является металлический анод, но его производительность в настоящее время ограничена образованием иглообразных структур, называемых дендритами, которые могут привести к короткому замыканию батареи. Найдя твердый электролит, который предотвращает или ингибирует образование дендритов, мы, возможно, сможем реализовать преимущества некоторых действительно интересных химических элементов питания ".

Чтобы ускорить поиск новых электролитов, ученые обратились к возможностям расширенной характеристики и искусственного интеллекта (ИИ) для цифрового поиска среди множества других возможных кандидатов, ускорив медленный и кропотливый процесс лабораторного синтеза. "Высокопроизводительные вычисления и искусственный интеллект позволяют нам определять наилучшие дескрипторы и характеристики, которые позволят создавать индивидуальные конструкции различных электролитов для конкретных целей", - сказал Мэн. "Вместо того, чтобы рассматривать несколько десятков вариантов электролита в год в лаборатории, мы рассматриваем многие тысячи с помощью вычислений".

"Электролиты содержат миллиарды возможных комбинаций компонентов - солей, растворителей и добавок, - с которыми мы можем играть", - сказал Шринивасан. "Чтобы превратить это число во что-то более управляемое, мы начинаем по-настоящему использовать возможности искусственного интеллекта, машинного обучения и автоматизированных лабораторий".

Автоматизированные лаборатории, о которых говорил Шринивасан, будут включать экспериментальный режим, управляемый роботом. Таким образом, машины могут проводить без посторонней помощи все более тщательно отточенные и откалиброванные эксперименты, чтобы в конечном итоге определить, какая комбинация компонентов образует идеальный электролит. "Автоматическое обнаружение может значительно повысить эффективность наших исследований, поскольку машины могут работать круглосуточно и снизить вероятность человеческой ошибки", - сказал он.

Работа финансировалась Объединенным центром исследований в области хранения энергии, Центром инноваций в области энергетики Управления науки Министерства энергетики и программой фундаментальных энергетических наук Управления науки Министерства энергетики.