Инженеры Стэнфорда преодолели ограничения литий-металлических аккумуляторов с помощью молекулярного дизайна

02.03.2025 20:14:00 | iXBT.com

Стремительное развитие электроники требует создания аккумуляторов с ускоренной зарядкой, повышенной энергоёмкостью и долгим сроком службы. Одним из главных кандидатов на замену литий-ионным (Li-ion) батареям, доминирующим на рынке, стали литий-металлические батареи (LMB). Их ключевое отличие — использование металлического лития в аноде вместо графита или кремния, что теоретически позволяет достичь на 50% – 100% большей энергоёмкости. Одна ко медленная скорость зарядно-разрядных процессов и низкая циклическая обратимость до сих пор ограничивали их практическое применение, снижая скорость заряда и стабильность работы.

Группа исследователей из Стэнфордского университета предложила инновационное решение — асимметричные эфирные растворители для электролитов. Результаты работы демонстрируют, что новая разработка не только ускоряет зарядку LMB, но и повышает их стабильность.

Иллюстрация: нейросеть DALL-E

«Наша цель — создать литий-металлические батареи с высокой скоростью заряда через проектирование молекул растворителей», — пояснил Рок Чой, ведущий автор исследования. Учёные вдохновились структурой этилметилкарбоната (EMC), асимметричного алкилкарбоната, применяемого в Li-ion батареях, и адаптировали аналогичный подход для эфирных растворителей.

Традиционные эфирные растворители, используемые в электролитах, состоят из симметричных молекул с двумя одинаковыми углеводородными группами, связанными атомами кислорода. Такая структура замедляет высвобождение ионов лития из окружения молекул растворителя (Li+), что негативно влияет на скорость заряда. В отличие от них, асимметричные растворители содержат разные боковые группы, — химические фрагменты, присоединённые к основной молекуле растворителя, которые отличаются по структуре и размерам. Так, в асимметричных эфирных растворителях, разработанных в Стэнфорде, молекула имеет «две стороны» — например, одна может содержать компактную метильную группу (-CH3), а другая — более крупную фторированную группу (-CF3). Это снижает стерические препятствия (физические помехи), возникающие из-за пространственного строения молекул для движения Li+.

«Симметричные молекулы блокируют доступ ионов к аноду под действием электрического поля, — отметил Чой. — Асимметричные же выстраиваются таким образом, что ускоряют восстановление Li+ и десольватацию». Оптимизация дипольной ориентации в новых растворителях улучшила перенос заряда, способствуя формированию стабильного твёрдого электролитного межфазного слоя (SEI) и равномерному осаждению лития на аноде.

Эксперименты подтвердили, что асимметрия молекул ускоряет кинетику Li+, увеличивая срок службы батарей в высокоскоростных режимах. Например, растворитель F3EME, созданный путём модификации эфирного «скелета» и степени фторирования, позволил безанодным ячейкам (без предустановленного анода) выдержать свыше 600 циклов в тестах, имитирующих условия работы аэротакси (eVTOL).

В ближайших планах команды — разработка аналогичных электролитов для других типов литиевых батарей, включая системы с кремниевыми анодами и Li-S архитектурой. «Наша стратегия молекулярного дизайна открывает путь к созданию целого семейства растворителей для различных применений», — подчеркнул Чой.

Это исследование не только предлагает конкретное решение для LMB, но и задаёт вектор для будущих разработок в области энергонакопителей, где сочетание скорости, ёмкости и долговечности остаётся критическим вызовом.

Подробнее