Как материал электрода аккумулятора влияет на его работоспособность и срок службы

15 августа 2023 диалог

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

написано исследователем(ями)

корректура

by Dmitrii A. Rakov , Tech Xplore

Батареи — это устройства, которые накапливают и выделяют энергию путем перемещения заряженных частиц, называемых ионами, между двумя материалами, называемыми электродами. Электроды разделены жидкостью или гелем, называемым электролитом, который содержит ионы и другие молекулы. При использовании батареи на поверхности каждого электрода образуется тонкий слой молекул, называемый межфазной границей твердого электролита (SEI).

Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) и натрий-ионные аккумуляторы (СИБ) страдают недостаточной обратимостью окислительно-восстановительных процессов на границе электрод/электролит, что связано с образованием механически нестабильных и реакционноспособных СЭИ. Стабильные неорганические SEI могут изолировать перенос электронов, позволяя диффундировать только определенным ионам, тем самым поддерживая обратимый цикл за пределами электрохимического предела электролита.

В то время как электрохимические элементы, использующие неорганические расплавленные солевые электролиты при повышенных температурах (> 100°C), демонстрируют стабильные циклические характеристики, в повседневной работе используются аккумуляторные электролиты, содержащие как соли металлов, так и органические растворители. Эта смесь запускает конкурентные реакции на границе раздела зарядов, вызывая продолжающееся потребление электролита и неравномерное осаждение металла, т.е. образование дендритов в случае металлических электродов, что приводит к выходу из строя батареи, а иногда и к проблемам с безопасностью.

Одним из наиболее практически масштабируемых способов оптимизации химии и морфологии SEI для обратимого переноса заряда является совместный выбор химического состава электролита и протокола формирования (т. е. начальных условий циклирования с конкретными условиями тока/напряжения). В то же время значение материала электродов в этом прогрессе заметно недооценивается, несмотря на его неотъемлемое влияние на предварительные фазы формирования SEI.

Чтобы заполнить этот информационный пробел, исследователи из университетов Дикина и Монаша (Мельбурн, Австралия) исследовали влияние физико-химических свойств электрода на механизм образования SEI с помощью ионных жидкостей и натриевых электролитов на основе карбонатов. Работа опубликована в журнале Energy & Environmental Science.

Используя комплекс экспериментальных и теоретических инструментов, мы показали, что на структуру границы раздела электролит-электрод и свойства границы раздела твердый-электролит существенное влияние оказывает поляризуемость электрода (его диэлектрическая природа), и объяснили эти явления в работе контекст способности заряженных электродов адсорбировать частицы электролита (см. рисунок выше).