Исследователи Массачусетского технологического института (MIT) предложили новую модель, которая способна изменить подход к созданию и совершенствованию литий-ионных батарей. Модель получила название Coupled Ion-Electron Transfer (CIET) и объясняет один из ключевых процессов, определяющих эффективность аккумуляторов.
Как работает новая модель?
Главным фактором, от которого зависит скорость зарядки и разрядки батареи, является процесс интеркаляции — внедрения ионов лития в твердый электрод. Ранее считалось, что скорость этого процесса ограничена диффузией ионов, и для его описания применялась формула Бутлера-Фольмера. Однако экспериментальные данные часто расходились с расчетами, что указывало на несовершенство модели.
Учёные MIT использовали новый подход: они измеряли скорость интеркаляции, подавая на материалы короткие серии импульсов напряжения. Было протестировано более 50 комбинаций электролитов и электродов, включая широко применяемые соединения — литий-никель-марганец-кобальт (в электромобилях) и литий-кобальтовый оксид (в смартфонах и ноутбуках).
Результаты показали, что скорость интеркаляции значительно ниже, чем предполагалось ранее, и определяется вовсе не диффузией. Согласно новой модели, литий может попасть в электрод только одновременно с передачей электрона. Именно этот совместный процесс (CIET) и является ключевым контролирующим фактором.
Зачем это нужно?
Открытие открывает путь к созданию аккумуляторов нового поколения. Возможные преимущества:
- Быстрая зарядка. Понимание механизма CIET позволяет оптимизировать процесс интеркаляции, что может ускорить зарядку батарей.
- Долговечность. Новая модель помогает снизить вероятность побочных реакций, разрушающих электрод, а значит, увеличить срок службы аккумуляторов.
- Гибкая настройка. Учёные также показали, что скорость интеркаляции можно регулировать, изменяя состав электролита. Это даёт производителям больше возможностей для проектирования батарей под конкретные задачи.
Работа MIT меняет представление о фундаментальных процессах в литий-ионных аккумуляторах. Новый CIET-механизм объясняет, почему старые модели не совпадали с экспериментами, и открывает перспективы для разработки батарей, которые будут мощнее, долговечнее и быстрее заряжаться.
Исследование опубликовано в журнале Science.
