Российские исследователи модернизировали кинетические модели движения ионов лития в аккумуляторных системах с разными электролитами. Это достижение позволит точнее прогнозировать скорость электрохимических реакций в перспективных батареях на основе других металлов.
Технология литий-ионных аккумуляторов бурно развивалась с 1990-х годов благодаря спросу на портативную электронику. Сегодня новый импульс росту рынка дают электромобили, робототехника и системы накопления энергии. Однако ресурсные ограничения и постоянный рост цен на литий создают серьезные препятствия для дальнейшего прогресса.
Альтернативные системы (на базе калия, натрия или магния) нуждаются в оптимизации ключевых показателей: энергоемкости, плотности заряда и циклической стабильности. Улучшение этих параметров позволит им стать полноценной заменой дорогостоящим литиевым решениям.
Для повышения эффективности необходимо детально понимать реакцию интеркаляции – процесс внедрения ионов в структуру электрода. Этот многоступенчатый механизм включает: транспорт иона в растворе, десольватацию, межфазный перенос и диффузию в материале. Общая скорость реакции определяется самым медленным этапом.
Специалисты усовершенствовали модель поведения лития в катоде и впервые установили зависимость лимитирующих стадий от типа электролита и его взаимодействия с поверхностью материала. Ранее считалось, что замедление всегда вызвано диффузией в электроде, однако теперь доказано, что ограничивать процесс могут также межфазный перенос или этап десольватации.
Исследователи активно применяли комплекс электрохимических методик: циклическую вольтамперометрию, хроноамперометрию и импедансную спектроскопию. Масштабное численное моделирование экспериментальных данных позволило выявить ключевые кинетические закономерности.
Для определения условий смены лимитирующих стадий команда провела эксперименты с растворителями, значительно различающимися по свойствам. В традиционных системах образуются защитные слои, замедляющие электронный перенос. Но важнее открытие, что эти же слои тормозят и межфазное движение ионов – особенно в карбонатных средах. В водных растворах и ацетонитриле ограничивающими становятся десольватация или адсорбция.
Эти открытия проливают свет на фундаментальные аспекты работы современных энергонакопителей и открывают перспективы для проектирования инновационных аккумуляторных систем.
Источник: scientificrussia.ru
