Изясняване на това как литиевите йони се движат в акумулаторни батерии

От Института за фундаментални науки

Въпреки че повечето от нашите електронни устройства, като мобилни телефони, лаптопи и електрически превозни средства използват литиеви акумулаторни батерии, какво се случва вътре в тях не е напълно разбрано. Изследователи от Центъра за молекулярна спектроскопия и динамика в рамките на Института за фундаментални науки (IBS) успяха да наблюдават в реално време свръхбързата динамика на литиевите йони с фемтосекундна разделителна способност (1/1 000 000 000 000 000 от секундата). Тези открития помагат да се обясни какво се случва по време на процеса на зареждане и разреждане: крайъгълен камък за усъвършенстваните батерии с по-добра производителност. Публикувано в Nature Communications, това проучване разкрива взаимодействията между литиевите йони и електролитите, които са органични молекули, които заобикалят литиевите йони и провеждат електричество, и са в състояние да заключат, че съществуващата теория за йонна дифузия в литиевите акумулаторни батерии не е напълно правилна.

В типична търговска литиева акумулаторна батерия литиевите йони, разтворени в електролити, се преместват от положителния към отрицателния полюс на батерията, когато батерията се зарежда. И те мигрират по обратния начин, когато батерията се използва. Литиево-йонната подвижност определя производителността на литиево-йонната акумулаторна батерия и колко бързо те могат да се зареждат и разреждат.

Литиевите йони обаче не мигрират сами, те са заобиколени от електролити, които улесняват пътуването от единия полюс към другия. Понастоящем електролитите в нашите литиеви акумулаторни батерии обикновено се състоят от смес от: етилен карбонат (EC), диметил карбонат (DMC) и диетил карбонат (DEC) в равни концентрации. Смята се, че литиевите йони се свързват главно с EC, образувайки така наречената "солватираща обвивка" или "солватираща обвивка", докато DMC и DEC само засилват движението на тези черупки между полюсите на батериите, като "лубриканти". Въпреки това, докато повечето от предишните проучвания се фокусираха върху статичните свойства на връзката между електролити и литиеви йони, това изследване изяснява динамиката на свързването. Като във филм, където поредица от неподвижни изображения, показвани бързо едно след друго, създават ефекта на движенията, учените от IBS направиха бързи снимки, за да анализират образуването и разрушаването на тези връзки. Въпреки това, докато филмите обикновено се заснемат и показват с 24 неподвижни изображения в секунда, тези измервателни „кадри“ са направени на интервали от време от само фемтосекунди.

Благодарение на инструмент, наречен двуизмерна инфрачервена спектроскопия, екипът измерва как литиевите йони се свързват с кислородните атоми на DEC и открива, че тези връзки се разкъсват и образуват за 2-17 пикосекунди (1/1 000 000 000 000 от секундата). Времевата скала е подобна за DMC. Това означава, че DMC и DEC са повече от просто „лубриканти“, те също са част от солватната обвивка заедно с EC и могат да играят активна роля в транспортирането на литиеви йони към полюса на батерията.

"Смяташе се, че EC прави твърда обвивка около литиевите йони по време на миграцията между електродите. Това проучване обаче показва, че обвивката на разтворителя не е толкова твърда, тя постоянно се преструктурира по време на йонния транспорт", обяснява професор CHO Minhaeng. И заключава: „Поради тази причина преразглеждането на съществуващата теория за дифузия на литиеви йони е неизбежно.“

Изследователският екип работи върху последващо проучване за установяване на нова теория за процеса на дифузия на литиеви йони и изгражда нов ултрависокоскоростен лазерен спектроскопски инструмент, който може да наблюдава химическата реакция, както и да я снима върху електродите на акумулаторните батерии.