В нашей повседневной жизни литий-ионные аккумуляторы стали незаменимыми. Они функционируют только благодаря пассивирующему слою, который образуется во время их начального цикла. Как выяснили исследователи из Технологического инстинепосредственно на электроде, а агрегирует в растворе. Их исследование было опубликовано в журнале Advanced Energy Materials. Их выводы позволяют оптимизировать производительность и срок службы будущих батарей.
От смартфонов до электромобилей — везде, где требуется мобильный источник энергии — почти всегда литий-ионный аккумулятор справляется со своей задачей. Существенной частью надежной работы этой и других батарей с жидким электролитом является межфазная фаза с твердым электролитом (SEI). Этот пассивирующий слой образуется при первом приложении напряжения. Электролит разлагается в непосредственной близости от поверхности . До сих пор оставатута Карлсруэ (KIT) с помощью моделирования, эта межфазная фаза твердого электролита развивается не лось неясным, каким образом частицы в электролитах образуют на поверхности электрода слой толщиной до 100 нанометров, 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 высоким нагрузкам при каждом цикле зарядки. Когда SEI разрушается во время этого процесса, происходит дальнейшее разложение электролита и снижается емкость батареи — процесс, который определяет срок службы батареи. Имея правильные знания о росте и составе SEI, можно контролировать свойства батареи. Но до сих пор ни экспериментального, ни компьютерного подхода было недостаточно, чтобы расшифровать сложные процессы роста SEI, происходящие в очень широком масштабе и в разных измерениях.
Исследователям из Института нанотехнологий КИТ (INT) удалось охарактеризовать формирование SEI с помощью многомасштабного подхода. «Это решает одну из величайших загадок, касающихся важной части всех аккумуляторов с жидким электролитом, особенно литий -ионных аккумуляторов, которые мы все используем каждый день», — говорит профессор Вольфганг Венцель, директор исследовательской группы «Многомасштабное моделирование материалов и виртуальный дизайн». INT, которая участвует в крупномасштабной европейской исследовательской инициативе BATTERY 2030+, направленной на разработку безопасных, доступных, долговечных и устойчивых высокопроизводительных аккумуляторов будущего.
Более 50 000 симуляций для различных условий реакции
Чтобы изучить рост и состав пассивирующего слоя на аноде аккумуляторов с жидким электролитом , исследователи из INT создали ансамбль из более чем 50 000 симуляций, представляющих различные условия реакции. Они обнаружили, что рост органического SEI происходит по пути, опосредованному раствором. Во-первых, предшественники SEI, которые образуются непосредственно на поверхности, соединяются далеко от поверхности электрода посредством процесса зародышеобразования. Последующий быстрый рост зародышей приводит к образованию пористого слоя, который со временем покрывает поверхность электрода.
Эти результаты предлагают решение парадоксальной ситуации, когда составляющие SEI могут образовываться только вблизи поверхности, где доступны электроны, но их рост остановится, как только эта узкая область будет покрыта. «Мы смогли определить ключевые параметры реакции, которые определяют толщину SEI», — объясняет доктор Сайбал Яна, постдоктор INT и один из авторов исследования.
«Это позволит в будущем разработать электролиты и подходящие добавки, которые контролируют свойства SEI и оптимизируют производительность и срок службы батареи».
