Новое правило для создания лучших аккумуляторов

Исследователи из Университета Осаки и Daikin Industries, Ltd. представили ключевой индикатор для разработки усовершенствованных литий-ионных аккумуляторов. Они выяснили, что химический потенциал ионов лития в электролите — показатель того, насколько «некомфортно» иону лития находиться в электролите батареи — количественно определяет, может ли батарея быть заряжена и разряжена обратимо.

Это открытие открывает путь к переходу от метода проб и ошибок к рациональному, основанному на данных процессу разработки более безопасных и производительных аккумуляторов.

Литий-ионные батареи играют важную роль в современном мире, питая все — от смартфонов до электромобилей. Для повышения их производительности ученые активно ищут новые электролиты — жидкую среду, переносящую ионы. Однако основной проблемой было отсутствие четкого руководства, предсказывающего, будет ли новый электролит хорошо работать с графитовыми отрицательными электродами, которые широко используются в этих батареях. Это делало разработку электролитов сложным, эмпирическим процессом.

Исследовательская группа показала, что ключ к решению этой проблемы заключается в химическом потенциале ионов лития в электролите. Для корректной зарядки батареи ионы лития должны перемещаться из электролита в графитовый электрод.

Команда уточнила, что этот процесс успешно происходит только тогда, когда ионы лития достаточно нестабильны в электролите, то есть когда их химический потенциал высок. Этот новый показатель предоставляет четкий численный стандарт для определения пригодности электролита, устраняя необходимость в догадках. Исследователи также продемонстрировали, что недавно разработанный фторированный эфирный растворитель, созданный на основе этой концепции, обеспечивает отличную производительность батареи.

Это открытие позволяет осуществлять рациональный и высокоэффективный дизайн новых электролитов. Интегрируя химический потенциал ионов лития в информатику материалов, исследователи могут прогнозировать производительность новых материалов, что значительно ускоряет процесс разработки.

Это, в свою очередь, ускорит совершенствование производительности, срока службы и безопасности аккумуляторов, используемых в критически важной социальной инфраструктуре, такой как электромобили, системы хранения возобновляемой энергии и источники бесперебойного питания для дата-центров.

«В этом исследовании мы сделали больше, чем просто открыли новый материал», — говорит доктор Ясуюки Кондо, ведущий автор исследования. «Мы определили фактор, который фактически управляет реакциями заряда-разряда в литий-ионных батареях. Мы надеемся, что наши выводы ускорят будущие исследования и разработки в области аккумуляторов и помогут решить мировые энергетические и экономические проблемы».