Новые электролиты для батарей: расчеты открывают будущее

Исследование, проведенное с помощью компьютерного моделирования, вносит вклад в разработку безопасных и высокопроизводительных батарей, исследуя соединения, которые могут быть использованы в качестве электролитов в натрий-ионных аккумуляторах. Работа опубликована в Journal of Molecular Liquids.

В исследовании участвовала команда ученых из Центра инноваций в новых энергиях (CINE), основанного в 2018 году при участии Университета штата Кампинас (UNICAMP), Университета Сан-Паулу (USP) и Федерального университета Сан-Карлус (UFSCar), а также восьми других бразильских институтов. К проекту также присоединились исследователи из Боннского университета (Германия).

Натрий-ионные батареи считаются перспективными, особенно для хранения излишков энергии, получаемой от солнечных и ветряных электростанций. Они работают за счет перемещения ионов натрия между электродами батареи через электролит во время циклов зарядки и разрядки. Главными проводниками ионов в электролите являются ионные жидкости — соли, находящиеся в жидком состоянии при комнатной температуре. Эти соединения обладают хорошей ионной проводимостью и негорючестью, что обеспечивает безопасность батарей.

Однако при добавлении солей натрия в ионные жидкости увеличивается их вязкость, что снижает подвижность ионов и ухудшает характеристики электролита.

Чтобы решить эту проблему, исследователи CINE изучили электролиты на основе двух типов ионных жидкостей: апротонных (наиболее распространенных в исследованиях электролитов) и протонных (более дешевых и простых в производстве, но менее изученных). Целью было улучшить подвижность ионов путем добавления солей натрия.

«Основная задача этой работы заключалась в оценке влияния увеличения концентрации соли натрия в электролите на основе протонной ионной жидкости и ее аналога с апротонной ионной жидкостью», — поясняет Туанан да Коста Лоуренсу, научный сотрудник CINE и автор статьи.

Для проведения исследования команда использовала методы молекулярной динамики — вычислительный метод, описывающий взаимодействие атомов и молекул. С помощью множества компьютеров и современного программного обеспечения авторы решили сложные математические уравнения, лежащие в основе симуляций.

Результаты показали, что увеличение концентрации соли натрия изменяет организацию ионов в ионной жидкости и их взаимодействие. Масштаб этих изменений зависит от молекулярной структуры ионов и типа ионной жидкости (протонная или апротонная).

«Кроме того, мы обнаружили, что при высоких концентрациях соли натрия наблюдается снижение сил взаимодействия между ионом натрия и анионом электролита, что может быть полезно для производительности батареи», — добавляет Лоуренсу.

Международное сотрудничество стало ключевым элементом исследования. Программа CINE по вычислительному дизайну материалов (CMD) ставит своей целью отбор перспективных электролитов для батарей будущего. Проект объединил участников программы из USP и исследовательской группы Барбары Кирхнер из Боннского университета, специализирующейся на моделировании сложных жидких систем. Это сотрудничество не только углубило выводы, но и привело к разработке новых инструментов и моделей.

Научная команда продолжает исследования, работая над вторым проектом, направленным на понимание того, как модулировать взаимодействия между ионами в ионных жидкостях для оптимизации производительности батарей.