Исследовательская группа из Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST) в Южной Корее недавно доказала, что жидкий электролит в замороженном состоянии всё ещё может поддерживать проводимость ионов лития, достаточную для работы батареи. Это открытие бросает вызов традиционному представлению о том, что электролит должен находиться в жидком состоянии, чтобы быть эффективным. Исследование также раскрыло механизм переноса ионов лития в органическом ледяном электролите, предоставляя новые возможности для разработки твердотельных электролитов, пригодных для литий-металлических батарей. Соответствующие результаты были опубликованы в журнале Advanced Materials.
Это исследование возглавляли профессор Хён-Кон Сонг из Школы энергетических и химических технологий UNIST и профессор Дон-Хва Сео из Департамента материаловедения и инженерии Корейского института науки и технологий (KAIST). Исследовательская группа приготовила органический ледяной электролит на основе этиленкарбоната. Этиленкарбонат является циклическим карбонатом, широко используемым в коммерческих батареях.
Команда проверила ионную проводимость и эффективность переноса ионов лития электролита в замороженном состоянии. Результаты показали, что эти электролиты работают через механизм 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, который позволяет ионам лития перемещаться между электродами во время зарядки и разрядки. Температура плавления этиленкарбоната составляет около 37°C, поэтому при комнатной температуре (около 25°C) он находится в твердом состоянии. Обычно для снижения его точки плавления требуется смешивание с другими растворителями. Однако в данном исследовании при разработке электролита была добавлена лишь небольшая часть соли лития, что позволило сохранить его в замороженном, ледяном состоянии.
Экспериментальные результаты показали, что ионная проводимость этого «ледяного электролита» составляет около 0,64 мСм/см, а число переноса ионов лития — около 0,8. Эти значения сопоставимы с показателями некоторых современных твердотельных электролитов. При применении в литий-металлической батарее этот замороженный электролит поддерживал более 400 циклов зарядки-разрядки при комнатной температуре без внутреннего короткого замыкания, демонстрируя относительно стабильную производительность.
Литий-металлические батареи считаются перспективным решением для хранения 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 широкое 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 уменьшению побочных реакций и подавлению образования дендритов.
Профессор Хён-Кон Сонг заявил: «Хотя многие считают, что твердотельный электролит должен быть жестким неорганическим материалом или специальным полимером, наше открытие показывает, что даже рыхлая ледяная структура, образованная молекулами растворителя, может поддерживать эффективную ионную проводимость. В настоящее время мы исследуем комбинации органических растворителей с более высокой температурой плавления, чтобы сделать этот подход более практичным для реальных приложений».
Детали публикации: Авторы: Do Sol Cheong и др., Название: «Conduction of Lithium Ions in the Frozen Phase of Organic Electrolytes», Опубликовано в: Advanced Materials (2026). Информация о журнале: Advanced Materials
