Российские ученые исследовали эффект этиленкарбоната в литий-ионных батареях

Ученые Сколковского института науки и технологий (Сколтех) при поддержке гранта Российского научного фонда изучили эффект этиленкарбоната в составе электролитов литий-ионных батарей. Почему это вещество взаимодействует с графитовыми анодами литий-ионных аккумуляторов иначе, чем родственный ему пропиленкарбонат? Полученные результаты могут стать ориентиром для разработки более эффективных и безопасных электролитов и оптимизации производства литий-ионных аккумуляторов.

На ранних этапах коммерциализации литий-ионных батарей учёные столкнулись с проблемой коррозии графитового анода: электролиты на основе пропиленкарбоната (ПК) хорошо взаимодействовали с металлическим литием, но оказались чрезвычайно агрессивными по отношению к графиту.

Это препятствовало использованию графитовых электродов до тех пор, пока в качестве альтернативного растворителя в составе электролита не был предложен этиленкарбонат (ЭК). Несмотря на сходство молекул ЭК и ПК с точки зрения электрохимии, они ведут себя по-разному в отношении графитовых анодов. Природа этого различия и поведение «волшебного растворителя» ЭК были предметом многочисленных исследований и обсуждений на протяжении десятилетий, но единого мнения у учёных до сих пор нет.

При этом вопрос носит не чисто теоретический характер, и ответ на него будет иметь значение при проектировании батарей не только в части выбора растворителя в составе электролита.

Старший научный сотрудник Сергей Лучкин и ведущий производственный инженер Егор Пажетнов из Центра энергетических технологий Сколтеха предположили, что при наличии ЭК в составе электролита на поверхности графита образуется тонкий слой очень вязкой жидкости. Именно он защищает графит от коррозионного расслаивания. Последующие эксперименты подтвердили, что такой слой действительно образуется в электролитах на основе ЭК и отсутствует при использовании ПК.

Примечательно, что этот слой вязкой жидкости появляется до формирования важного элемента литий-ионного аккумулятора — так называемого твердоэлектролитного слоя (SEI) — и, следовательно, должен влиять на процесс его образования. Твердоэлектролитный слой представляет собой тонкую плёнку твёрдого электролита, которая образуется на поверхности анода при первичном заряде и разряде аккумулятора на заводе. Эта плёнка предотвращает как деградацию графитового анода, так и восстановление электролита — электрохимический процесс, ухудшающий характеристики устройства.

Этот новый взгляд на межфазные процессы в литий-ионных аккумуляторах открывает новые перспективы для понимания взаимосвязи состава электролита и межфазной динамики между электролитом и анодом, что имеет решающее значение для создания более стабильных и эффективных аккумуляторов.

Предложенный в исследовании подход применим не только к широко распространённым литий-ионным, но и к появляющимся сейчас натрий- и калий-ионным аккумуляторам. Для этих технологий накопления энергии тоже актуальна проблема образования твердоэлектролитного слоя. Работа российских учёных даёт более глубокое понимание того, как физические свойства компонентов электролита влияют на межфазные процессы, что может ускорить инновации в области накопления энергии.

По информации Сколковского института науки и технологий (Сколтех)

На рисунке в начале статье: Обогащённая этиленкарбонатом граница раздела между жидким электролитом и слоистой структурой графитового электрода (справа) литий-ионного аккумулятора. Источник: Сергей Лучкин/Сколтех (нарисовано в Blender 3.6)

На рисунке внизу: В качестве растворителя в составе жидкого электролита этиленкарбонат образует защитный слой (слева вверху) на графитовом электроде, что в дальнейшем приводит (слева внизу) к формированию твердоэлектролитного слоя. А при использовании пропиленкарбоната графит оказывается не защищен от коррозии. Источник: Сергей Лучкин/Сколтех (нарисовано в Blender 3.6)