Инженеры из Стэнфорда решили проблемы литий-металлических аккумуляторов благодаря молекулярному дизайну

Быстрое развитие электронных технологий требует новых аккумуляторов, которые смогут заряжаться быстрее, удерживать больше энергии и служить дольше. Одним из перспективных заменителей литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов, которые сейчас наиболее распространены, являются литий-металлические батареи (LMB). Их основное отличие заключается в использовании металлического лития в аноде вместо графита или кремния, что теоретически дает возможность достичь энергоемкости на 50%–100% выше. Однако на практике их применение сдерживается из-за медленного заряда и разряда  и низкой циклической стабильности, что снижает скорость зарядки и надежность эксплуатации.

Группа исследователей из Стэнфордского университета предложила новое решение: асимметричные эфирные растворители для электролитов. Работы показывают, что данная разработка не только ускоряет зарядку литий-металлических батарей, но и повышает их стабильность.

«Мы рассчитывали создать литий-металлические аккумуляторы, которые бы заряжались быстро, посредством разработки растворителей на молекулярном уровне», — объясняет Рок Чой, ведущий автор исследования. Они вдохновились структурой этилметилкарбоната (EMC), асимметричного алкилкарбоната, который уже используется в Li-ion батареях, и решили адаптировать аналогичный подход к эфирным растворителям.

Традиционные эфирные растворители электролитов состоят из симметричных молекул с одинаковыми углеводородными группами, соединенными атомами кислорода. Такая симметрия затрудняет высвобождение ионов лития (Li⁺) из окружения молекулы растворителя, что негативно сказывается на скорости зарядки. В отличие от них, асимметричные растворители имеют различные боковые группы — химические фрагменты, прикрепленные к центральной молекуле растворителя, различающиеся по размеру и структуре. Примером являются асимметричные эфирные растворители, разработанные в Стэнфорде, у которых одна сторона молекулы может содержать компактную метильную группу (-CH₃), а другая — более объёмную фторированную группу (-CF₃). Это снижает стерические помехи, вызванные пространственным строением молекулы, которые препятствуют движению ионов Li⁺.

«Симметричные молекулы препятствуют движению ионов к аноду под воздействием электрического поля, — поясняет Чой. — Асимметричные же молекулы ориентируются так, что ускоряют восстановление Li⁺ и процессы десольватации». Оптимизация дипольной ориентации в новых растворителях способствует лучшему переносу заряда и обеспечивает образование стабильного твёрдого электролитного промежуточного слоя (SEI) и равномерное осаждение лития на аноде.

Эксперименты подтвердили, что асимметрия молекул ускоряет кинетические процессы Li⁺, продлевая срок службы батарей даже при высокоскоростных режимах эксплуатации. Например, растворитель F3EME, созданный на основе модифицирования эфирного «скелета» и уровня фторирования, позволил ячейкам без анодов (без предварительно установленных анодов) выдерживать более 600 циклов испытаний, имитирующих условия работы аэротакси (eVTOL).

В планах исследовательской группы также разработка подобных электролитов для других типов литиевых аккумуляторов, включая системы с кремниевыми анодами и конструкциями на основе Li-S. «Наша методология молекулярного дизайна открывает возможности для создания разнообразных растворителей для различных сфер применения», — подчёркивает Чой.

Это исследование не только предоставляет конкретное решение для литий-металлических батарей, но и определяет направление для будущих разработок в области энергонакопителей, где скорость, объем и продолжительность работы остаются критически важными параметрами.

Источник: iXBT