Команда опубликовала свои выводы в журнале Природная энергия.

Литий-металлические батареи - это многообещающая технология, способная удовлетворить требования к системам хранения с высокой плотностью энергии. Однако из-за непрекращающегося разложения электролита в этих батареях их кулоновская эффективность низка. Кулоновский КПД, также называемый КПД по току, описывает эффективность, с которой электроны переносятся в батарее. Таким образом, батарея с высокой кулоновской эффективностью имеет более длительный срок службы.

"Это первая статья, в которой предлагается электродный потенциал и связанные с ним структурные особенности в качестве показателей для проектирования электролитов литий-металлических батарей, которые извлекаются путем внедрения науки о данных в сочетании с вычислительными расчетами. Основываясь на наших выводах, было легко разработано несколько электролитов, которые обеспечивают высокую кулоновскую эффективность", - сказал Ацуо Ямада, профессор кафедры химической системной инженерии Токийского университета. Работа команды потенциально может предоставить новые возможности в разработке электролитов следующего поколения для литий-металлических батарей.

В литий-ионных батареях ион лития перемещается от положительного электрода к отрицательному электроду через электролит во время зарядки и обратно при разрядке. За счет введения электродов с высокой плотностью энергии можно повысить плотность энергии батареи. В этом контексте за последние десятилетия было проведено множество исследований по замене графитового отрицательного электрода на металлический литий. Однако металлический литий обладает высокой реакционной способностью, что снижает содержание электролита на его поверхности. Из-за этого металлический литиевый электрод демонстрирует низкую кулоновскую эффективность.

Чтобы преодолеть эту проблему, ученые разработали функциональные электролиты и добавки к электролитам, которые образуют на поверхности защитную пленку. Эта промежуточная фаза твердого электролита оказывает влияние на безопасность и эффективность литиевых батарей. Поверхностная защитная пленка предотвращает прямой контакт между электролитом и металлическим литиевым электродом, тем самым кинетически замедляя восстановление электролита. Однако до сих пор ученые не до конца понимали корреляцию между межфазным состоянием твердого электролита и кулоновской эффективностью.

Ученые знают, что если они улучшат стабильность межфазного слоя твердого электролита, то смогут замедлить разложение электролита и повысить кулоновскую эффективность батареи. Но даже при наличии передовых технологий ученым трудно непосредственно анализировать межфазный химический состав твердого электролита. Большинство исследований межфазного взаимодействия твердого электролита были проведены с использованием косвенных методик. Эти исследования дают косвенные доказательства, что затрудняет разработку металлического лития, стабилизирующего электролит, что приводит к высокой кулоновской эффективности.

Исследовательская группа определила, что если бы они могли повысить окислительно-восстановительный потенциал металлического лития в конкретной электролитной системе, они могли бы уменьшить термодинамическую движущую силу для восстановления электролита и, таким образом, достичь более высокой кулоновской эффективности. Эта стратегия редко применялась при разработке батарей с металлическим литием. "Термодинамический окислительно-восстановительный потенциал металлического лития, который значительно варьируется в зависимости от электролитов, является простым, но упускаемым из виду фактором, влияющим на производительность литий-металлической батареи", - сказал Ацуо Ямада.

Команда изучила окислительно-восстановительный потенциал металлического лития в 74 типах электролитов. Исследователи ввели соединение под названием ферроцен во все электролиты в качестве внутреннего стандарта, рекомендованного IUPAC (Международным союзом чистой и прикладной химии) для определения электродных потенциалов. Команда доказала, что существует корреляция между окислительно-восстановительным потенциалом металлического лития и кулоновской эффективностью. Они получили высокую кулоновскую эффективность при повышенном окислительно-восстановительном потенциале металлического лития.

Заглядывая в будущее, цель исследовательской группы состоит в том, чтобы более подробно раскрыть рациональный механизм, лежащий в основе сдвига окислительно-восстановительного потенциала. "Мы разработаем электролит, гарантирующий кулоновскую эффективность более 99,95%. Кулоновская эффективность металлического лития составляет менее 99%, даже при использовании современных электролитов. Однако для коммерциализации батарей на основе металлического лития требуется не менее 99,95%", - сказал Ацуо Ямада.

Это исследование было проведено в сотрудничестве с Нагойским технологическим институтом.