Исследовательская группа из Института науки и технологий Ульсана (UNIST) недавно доказала, что жидкий электролит в замороженном состоянии по-прежнему может поддерживать перенос ионов лития, достаточный для работы батареи. Это открытие бросает вызов традиционному представлению о том, что электролит должен находиться в жидком состоянии для выполнения своих функций. Исследование также раскрыло механизм переноса ионов лития в органическом ледяном электролите, открывая новые возможности для разработки квазитвердых электролитов, пригодных для литий-металлических батарей. Результаты опубликованы в журнале Advanced Materials.
Исследование было совместно проведено профессором Хён-Кон Сон (Hyun-Kon Song) из Школы энергетики и химической инженерии UNIST и профессором Дон-Хва Сео (Dong-Hwa Seo) из Департамента материаловедения и инженерии Корейского института науки и технологий (KAIST). Команда приготовила органический ледяной электролит на основе этиленкарбоната. Этиленкарбонат — это циклический карбонат, широко используемый в коммерческих батареях.
Команда протестировала ионную проводимость и эффективность переноса ионов лития электролита в замороженном состоянии. Результаты показали, что эти электролиты функционируют посредством механизма прыжков в твердотельной структуре, образованной иммобилизованными молекулами растворителя, обеспечивая ионную проводимость.
В традиционных литий-ионных батареях электролит представляет собой жидкий раствор соли лития в органическом растворителе, что позволяет ионам лития перемещаться между электродами во время заряда и разряда. Температура плавления этиленкарбоната составляет около 37°C, поэтому при комнатной температуре (около 25°C) он находится в твердом состоянии. Обычно для снижения его температуры плавления требуется смешивание с другими растворителями. Однако в данном исследовании при разработке электролита была добавлена лишь небольшая часть соли лития, чтобы поддерживать его в замороженном, ледяном состоянии.
Экспериментальные результаты показали, что ионная проводимость такого «ледяного электролита» составляет около 0,64 мСм/см, а число переноса ионов лития — около 0,8. Эти значения сопоставимы с показателями некоторых современных твердых электролитов. При применении в литий-металлической батарее этот замороженный электролит поддерживал более 400 циклов заряда-разряда при комнатной температуре без внутреннего короткого замыкания, демонстрируя относительно стабильные характеристики.
Литий-металлические батареи считаются перспективным решением для накопления энергии, поскольку их плотность энергии может быть примерно на 50% выше, чем у традиционных батарей. Однако их применение ранее ограничивалось такими проблемами, как рост дендритов. Дендриты — это острые отложения лития, которые могут прокалывать сепаратор и вызывать короткое замыкание. Кроме того, побочные реакции между металлическим литием и жидким электролитом также ограничивали их внедрение.
Исследователи проанализировали механизм работы ледяного электролита. Анализ показал, что в замороженном состоянии молекулы растворителя иммобилизованы, а ионы лития направленно перемещаются посредством прыжков между соседними атомами кислорода. Этот механизм способствует снижению побочных реакций и подавлению образования дендритов.
Профессор Хён-Кон Сон отметил: «Хотя многие считают, что твердый электролит должен быть жестким неорганическим материалом или специальным полимером, наше открытие показывает, что даже рыхлая ледяная структура, образованная молекулами растворителя, может поддерживать эффективный перенос ионов. В настоящее время мы исследуем комбинации органических растворителей с более высокой температурой плавления, чтобы сделать этот подход более практичным для реальных применений».
Детали публикации: Авторы: Do Sol Cheong и др., Название: «Перенос ионов лития в замороженной фазе органических электролитов», Опубликовано в: Advanced Materials (2026). Информация о журнале: Advanced Materials
