Исследователи используют квантовые методы для прогнозирования реактивности литий-металлических аккумуляторов будущего поколения

Литий-металлические батареи имеют неплохой потенциал для использования в будущем в качестве источников питания в электромобилях и бытовой электронике. Благодаря более высокой энергетической плотности литий-металлический аккумулятор обеспечит больший запас хода, чем современный литий-ионные модели. Но поверхность металлического лития обладает высокой реакционной способностью. Кроме того понимание химии этой системы пока ограничено.

Бальбуэн считает, что сначала нужно понять, какой тип реакций происходит, какие компоненты участвуют, а также понять морфологию эволюционирующих продуктов и схему перемещения ионов и электронов по поверхности. По его мнению, при ответе на эти критические важные вопросы в будущем можно будет коммерциализировать литий-металлические аккумуляторы.

При производстве литий-металлических батарей на аноде происходит образование тонкой плёнки. Она называется границей твёрдого электролита (SEI). Плёнка состоит из ряда компонентов и получается в результате разложения электролита. Химический состав SEI имеет решающее значение для обеспечения максимальной производительности аккумулятора и увеличения его срока службы. Благодаря экспериментальным усилиям, учёные могут раскрыть детали данного явления на уровни электронов и атомов.

Результаты проведённого исследования ученые опубликовали в журнале ACS Applied Materials & Interfaces Американского химического общества. Соавтором выступил аспирант Даченг Куай с химического факультета Texas A&M.

В данном исследовании учёные нацелились на полимер, который образуется на внутренних поверхностях аккумулятора из-за разложения электролита. Точное определение этой специфической полимерной реакции является сложной задачей, но это необходимо сделать для понимания и оптимизации SEI. Исследователи разработали интерфейс атомистическом уровне, и решили точные квантово-химические уравнения, чтобы отобразить временную эволюцию реакции образования полимера.

Проведенное исследование отличает то, что оно начинается с описания на микроскопическом уровне и позволяет системе развиваться в соответствии с ее электронным перераспределением в результате химической реакции, говорит Бальбуэна. Как отмечает он, существует много экспериментальных методик, позволяющих контролировать и отслеживать реакции, но они довольно сложные.

В результате проведенного моделирования будет составлено новое представление. Бальбуэн сказал, что часть системы, которая отвечает за важные химические процессы, будет изолирована. Они не будут следить за конкретной группой молекул, и анализировать реакции, которые самопроизвольно протекают на поверхности электродов.

В проведённом исследовании использовались уникальные вычислительные инструменты. Они позволяют определять минимальные энергетические конфигурации и расположение молекул во время реакции. В результате, реакция отображается от начала до конца. Исследователям удалось обнаружить, что частицы, полимеризующиеся в SEI, могут быть полезны для литий-металлических батарей, поскольку их можно использовать для контроля уровня реактивности материалов батареи. Бальбуэна сказал, что в целом они довольны результатами, поскольку получили представление о том, что может произойти при использовании настоящих электродов в наличии металлических аккумуляторов.

Результаты показывают использования вычислительных инструментов, которые будут способствовать созданию аккумуляторов, имеющих более длительный срок эксплуатации. Кроме того, они дешевле обходятся в производстве и менее опасны для окружающей среды. Исследователи надеются, что по мере развития более продвинутых химических методов они смогут продвинуться в своей работе в ближайшие годы.

Бальбуэна уверен, что проделанная работа будет полезна и через 10 лет. Она станет движущей силой при разработке аккумуляторов в более экологичном и эффективном направлении. Сделанные выводы помогут в разработке успешной технологии. И такая работа должна вестись постоянно.