Учёные провели новую исследовательскую работу межфазных переходов твердого электролита в водных калий-ионных аккумуляторах

За последние двадцать лет Li-Ion аккумуляторы получили широкое распространение в качестве источника питания для большого спектра бытовой электроники и вычислительной техники, а также для транспортных средств. Довольно трудно переоценить то действие, которые эти аккумуляторные батареи оказали на современное общество. В то же время, стоит отметить, что эта технология имеет ряд недостатков, которые невозможно игнорировать в будущем. Например, ограниченные запасы лития на планете и проблемы с выбросами в окружающую среду и безопасностью литиевых АКБ.

Предотвращение выделения водорода на отрицательном электроде с целью стабилизации является большой проблемой в высоковольтных водных батареях. Твердоэлектролитные промежуточные фазы (SEI), образующиеся между этими электродами и раствором электролита, помогают стабилизировать электроды в LIB, посредством предотвращения разложения электролита и саморазряда батарей. Проблема в том, что SEI практически не изучались в контексте калий-ионных аккумуляторов. Это упущение и решили исправить исследователи из Токийского научного университета (TUS). Они провели работу, целью которой было получить представление о формировании SEI и их свойствах в KIB на основе WISE. Результат проведённой работы они опубликовали в журнале Angewandte Chemie International Edition. Руководителем исследования выступил профессор TUS, Шиничи Комаба (Shinichi Komaba). Соавторами стали младший доцент Рёичи Татара (Ryoichi Tatara), доктор Закари Т. Госсадж (Zachary T. Gossage) и г-жа Нанако (Nanako).

В своей работе исследователи применяли две современных аналитических методики. Это сканирующая электрохимическая микроскопия (SECM) и операндо-электрохимическая масс-спектрометрия (OEMS). Методики использовались для наблюдения за формированием SEI в реальном времени во время работы калий-ионных аккумуляторов с отрицательным электродом из 3,4,9,10-перилентетракарбондиимида и 55 моль/кг K(FSA)0,6(OTf)0,4∙1H₂O, WISE, разработанный командой в предыдущем исследовании. Проведённые исследования показали, что SEI образует пассивирующий слой в WISE. Он аналогичен тому, который наблюдается в литий-ионных аккумуляторах. Он демонстрирует низкую кажущуюся скорость переноса электронов, что обеспечивает подавление выделения водорода. Это поможет обеспечить стабильное функционирование калий-ионных аккумуляторов и их большую долговечность. Исследователи отмечают, что покрытие слоя SEI было неполным при более высоких рабочих напряжениях, что приводило к выделению водорода.

Совокупность полученных результатов демонстрирует необходимость дальнейшего изучения путей повышения образования SEI в будущих водных аккумуляторах. Как отмечает профессор Комаба, полученные результаты демонстрируют интересные и подробности о свойствах и стабильности SEI, обнаруженные в одном конкретном WISE. Он считает, что исследователям нужно сосредоточиться на укреплении сети SEI для достижения улучшенной функциональности. SEI, возможно, можно улучшить за счет разработки других электролитов, которые производят уникальные SEI, а также за счет включения добавок к электролиту или предварительной обработки поверхности электрода, говорит Комада.

Исследователи говорят, что проведённая работа подчёркивает возможности SECM и OEMS для получения понимания процесса взаимодействия электрод-электролит в аккумуляторах следующего поколения. По их словам, методика предоставляет мощные средства для отслеживания развития, покрытия, переноса ионов и стабильности SEI. Этот подход можно легко адаптировать для различных электролитов и электродов. Комаба надеется, что полученный ими результат вдохновит других исследователей на дальнейшее изучение SECM и OEMS, а также передовых методик определения характеристик, которые можно совместить с традиционными измерениями аккумуляторов для получения более глубоких знаний о них.

Разработка водных аккумуляторов будет способствовать устойчивому развитию экономики и общества в будущем. Эти модели смогут в дальнейшем заменить дорогие и опасные литий-ионные аккумуляторные батареи, которые сейчас применяются в электромобилях, возобновляемых источниках энергии, интеллектуальных сетях и др. Если сделать хранение энергии более доступным с помощью водных аккумуляторов, то можно будет перейти к производству энергии с нулевым уровнем выбросов. Это обеспечит более экологичное будущее.