Учёные из Сколтеха предложили новое объяснение эффекта этиленкарбоната — «волшебного ингредиента» в составе электролитов литий-ионных батарей. Исследователи аккумуляторов годами пытались понять, почему это вещество взаимодействует с графитовыми анодами литий-ионных аккумуляторов иначе, чем родственный ему пропиленкарбонат. Эти результаты могут стать ориентиром для разработки более эффективных и безопасных электролитов и оптимизации производства литий-ионных аккумуляторов. Исследование опубликовано в Journal of Materials Chemistry A.
На ранних этапах коммерциализации литий-ионных батарей учёные столкнулись с проблемой коррозии графитового анода: электролиты на основе пропиленкарбоната (ПК) хорошо взаимодействовали с металлическим литием, но оказались чрезвычайно агрессивными по отношению к графиту.
Это препятствовало использованию графитовых электродов до тех пор, пока в качестве альтернативного растворителя в составе электролита не был предложен этиленкарбонат (ЭК). Несмотря на сходство молекул ЭК и ПК с точки зрения электрохимии, они ведут себя по-разному в отношении графитовых анодов. Природа этого различия и поведение «волшебного растворителя» ЭК были предметом многочисленных исследований и обсуждений на протяжении десятилетий, но единого мнения у учёных до сих пор нет.
При этом вопрос носит не чисто теоретический характер, и ответ на него будет иметь значение при проектировании батарей не только в части выбора растворителя в составе электролита.
В своей статье старший научный сотрудник Сергей Лучкин и ведущий производственный инженер Егор Пажетнов из Центра энергетических технологий Сколтеха предположили, что при наличии ЭК в составе электролита на поверхности графита образуется тонкий слой очень вязкой жидкости. Именно он защищает графит от коррозионного расслаивания. Последующие эксперименты подтвердили, что такой слой действительно образуется в электролитах на основе ЭК и отсутствует при использовании ПК.
Примечательно, что этот слой вязкой жидкости появляется до формирования важного элемента литий-ионного аккумулятора — так называемого твердоэлектролитного слоя (SEI) — и, следовательно, должен влиять на процесс его образования. Твердоэлектролитный слой представляет собой тонкую плёнку твёрдого электролита, которая образуется на поверхности анода при первичном заряде и разряде аккумулятора на заводе. Эта плёнка предотвращает как деградацию графитового анода, так и восстановление электролита — электрохимический процесс, ухудшающий характеристики устройства.
