Что происходит внутри литий-ионной аккумуляторной батареи?

lithium-rechargeable-batteries1Хотя большинство наших электронных устройств, таких как мобильные телефоны, ноутбуки и электромобили, используют литиевые аккумуляторные батареи, то, что происходит внутри них, до конца не понято. Исследователям из Центра молекулярной спектроскопии и динамики в Институте фундаментальных наук (IBS) удалось в реальном времени наблюдать сверхбыструю динамику ионов лития с фемтосекундным временным разрешением (1/1 000 000 000 000 000 000 секунд).

Эти наблюдения помогают объяснить, что происходит во время процесса зарядки и разрядки: краеугольный камень для продвинутых аккумуляторных батарей с лучшей производительностью. В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, сообщается о взаимодействиях между ионами лития и электролитами, которые являются органическими молекулами, окружающими ионы лития и проводящими электричество, и смогли сделать вывод о том, что существующая теория диффузии ионов в литиевых аккумуляторах не совсем корректна.

Lithium-ion-bonding_2

В типичной коммерческой литиевой аккумуляторной батарее ионы лития, растворенные в электролитах, во время зарядки движутся от положительного полюса на отрицательный полюс батареи. И они мигрируют в обратном направлении, когда батарея используется. Литий-ионная подвижность определяет характеристики литиевых аккумуляторных батарей и определяет, насколько быстро они могут заряжаться и разряжаться.

Ионы лития, однако, не мигрируют в одиночку, они окружены электролитами, которые облегчают путешествие от одного полюса к другому. В настоящее время электролиты в наших литиевых аккумуляторах, как правило, состоят из смеси этиленкарбоната (ЕС), диметилкарбоната (DMC) и диэтилкарбоната (DEC) в равной концентрации. Считается, что ионы лития связаны главным образом с ЕС, образуя так называемую «сольватную оболочку», в то время как DMC и DEC просто усиливают движение этих оболочек между полюсами батарей по типу «смазывающих веществ». Однако, если в большинстве предыдущих исследований основное внимание уделялось статическим свойствам этой связи между электролитами и ионами лития, то в этом исследовании дается пояснение динамики связывания. Как в кинофильме, где серия неподвижных изображений, отображаемых быстро один за другим, создает эффект движений, ученые IBS также сделали скоростные снимки, чтобы проанализировать образование и разрыв этих связей. Однако, в то время как фильмы обычно снимаются и отображаются с 24 кадрами в секунду, «снимки» ученых выполнялись с временными интервалами всего в фемтосекунды.

Благодаря инструменту, называемому двумерной инфракрасной спектроскопией, команда ученых сумела измерить, как ионы лития связываются с атомами кислорода DEC, и обнаружила, что эти связи разрушаются и образуются в течение 2-17 пикосекунд (1/1 000 000 000 000 секунд). Временной масштаб подобен DMC. Это означает, что DMC и DEC больше, чем просто «смазки», они также являются частью сольватной оболочки вместе с EC и могут играть активную роль в транспортировке ионов лития к полюсу батареи.

«Считалось, что EC создает жесткую оболочку вокруг ионов лития во время миграции между электродами. Однако это исследование показывает, что оболочка растворителя не такая жесткая, она постоянно реструктурируется во время ионного переноса», — объясняет профессор Cho Minhaeng. И заключает: «По этой причине пересмотр существующей теории диффузии ионов лития неизбежен».

Исследовательская группа работает над следующим исследованием, которое позволит создать новую теорию процесса диффузии ионов лития, и она строит новый сверхскоростной лазерный спектрометр, с помощью которого можно будет наблюдать химическую реакцию, а также снимать ее по верху электродов аккумуляторных батарей.

Источник: https://solarthermalmagazine.com/2017/03/29/going-inside-lithium-rechargeable-batteries/

 

Написать нам