Ученые приблизились в понимании, почему литий-ионные аккумуляторы воспламеняются
Литий-ионные аккумуляторы широко распространены в электронной технике и находят своё применение в качестве источника энергии в таких устройствах как сотовые телефоны, ноутбуки, цифровые фотоаппараты, видеокамеры и электромобили. Хотя чаще всего аккумуляторы работают бесперебойно, в новостях, порой, встречаются сообщения о возгорании электронных устройств из-за батарей.
На заводе даже один выявленный брак на партию из 200 000 может спровоцировать масштабный отзыв продукции, как это было в 2006 с компанией Sony, когда были отозваны 6 000 000 литий-ионных аккумуляторов.
Что становится причиной внезапного возгорания литий-ионных аккумуляторов? На этот вопрос постаралась найти ответ группа ученых из исследовательской лаборатории армии США совместно с коллегами из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории. Они изучили химические реакции, которые происходят, когда два ключевых компонента в батарее образуют реакцию, известную как твердый электролит или SEI (solid-electrolyte-interphase).
По словам исследователей, понимание химии и механизма образования твердого электролита является ключом к созданию более совершенных батарей будущего.
Ученые из Лаборатории молекулярных наук окружающей среды и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории разработали метод масс-спектрометрии вторичных ионов с жидкими ионами in situ, и в сотрудничестве с армейскими учеными использовали этот метод для исследования химических процессов на границе раздела электрод-электролит на молекулярном уровне, когда аккумулятор зарядился за первый час. Они следили за формированием твердого электролита и изменением его химического состава. Этот подход позволил им составить карту химических реакций по мере их возникновения. В сочетании с моделированием молекулярной динамики их работа выявила интересные процессы.
До того, как в литий-ионном аккумуляторе произойдет какой-либо межфазный химический процесс (во время первоначальной зарядки), на границе раздела электрод/электролит образуется двойной электрический слой из-за «самосборки» молекул растворителя. Формирование двойного слоя происходит под влиянием Li+ и потенциалом поверхности электрода. Структура этого двойного слоя предсказывает возможную межфазную химическую реакцию; в частности, отрицательно заряженная поверхность электрода отталкивает анионы соли от внутреннего слоя, в результате чего внутренний твердый электролит становится тонким, плотным и неорганическим по своей природе. Именно этот плотный слой отвечает за проводимость Li+ и изоляцию электронов. После формирования внутреннего слоя появляется проницаемый для электролита и богатый органикой внешний слой. В присутствии высококонцентрированного электролита, богатого фтором, внутренний слой SEI имеет повышенную концентрацию LiF из-за наличия анионов в двойном слое.
На протяжении десятилетий ученые пытались изучить химические процессы твердого электролита в литий-ионных батареях. К сожалению, это удавалось им с ограниченным успехом из-за отсутствия метода, который позволил бы наблюдать работу батареи в нано-масштабах. Такие наблюдения на молекулярном уровне необходимы для понимания химических процессов на границе раздела, а также помогут в разработке более совершенных батарей будущего.
Новости
16 Января 2025 г.