Ученые из МФТИ и Объединенного института высоких температур РАН обнаружили новый класс органических жидкостей для электролитов. Ими оказались производные аммиака — третичные амины. Выяснилось, что они совместимы с металлическим литием — перспективным, но химически агрессивным материалом для аккумуляторных электродов. Работа опубликована в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.
Современный электротранспорт, портативная электроника и системы хранения энергии требуют создания аккумуляторов нового поколения — более емких, мощных и пожаробезопасных. Металлический литий — один из самых перспективных материалов для электродов современных аккумуляторов нового класса. Его теоретическая емкость сильно превышает емкость графита из текущих литий-ионных батарей. Однако есть проблема: литий химически агрессивен. Он разрушает часть компонентов электролита, что в итоге может привести к замыканию батареи и даже ее возгоранию.
«Одна из ключевых задач современной аккумуляторной химии — найти такие молекулы электролита, которые смогут выдерживать контакт с металлическим литием. У него есть серьезная проблема: он очень реакционноспособен. Многие компоненты электролита при контакте с ним разрушаются, образуют побочные продукты, нестабильные пленки и провоцируют рост дендритов – игольчатых структур лития», — рассказал первый автор работы, ассистент кафедры вычислительной физики конденсированного состояния и живых систем МФТИ Максим Орехов.
До недавнего времени главными кандидатами для работы в паре с литиевым электродом считались эфиры. Они совместимы с металлическим литием и используются в исследованиях литий-металлических аккумуляторов. Но и у эфиров есть ограничения: они могут быть летучими, горючими и не всегда совместимы с высоковольтными катодами.
Российские ученые решили не ограничиваться привычными веществами и расширили круг поиска. Они применили мощный квантово-химический скрининг для оценки устойчивости широкого круга органических жидкостей. Как и ожидалось, эфиры составили самую многочисленную группу среди потенциальных жидкостей для электролита. Неожиданно второй по величине класс (28% от общего числа отобранных молекул) сформировали третичные амины.
По словам исследователей, преимущество третичных аминов в их двойной функции. Молекулы не только устойчивы к восстановлению на литиевом аноде, но и известны как функциональные добавки: они связывают вредные примеси (воду, кислоты) и участвуют в формировании защитного слоя на катоде. Такие соединения могут использоваться в литий- и натрий-металлических аккумуляторах нового поколения для стабилизации электролита, связывания примесей и улучшения защитных слоев на электродах.
«Наши расчеты оценивали, какие молекулы должны легко разрушаться у литиевого электрода (анода), а какие, наоборот, должны оставаться устойчивыми. По сути, теория работала как фильтр для поиска перспективных веществ среди большого числа органических жидкостей. Третичные амины раньше почти не рассматривали как компоненты растворов аккумуляторных электролитов, совместимых с металлическим литием, но они показали высокую устойчивость как в теории, так и на практике», — пояснил Максим Орехов.
Выводы расчетов подтвердились экспериментами. Ученые провели контактные тесты с использованием лития и натрия. С помощью лазерной рефлектометрии они показали, что поверхность металлов, помещенных в среду третичных аминов, сохраняет зеркальный блеск, тогда как в контрольном образце с диметилформамидом быстро тускнеет из-за химической реакции.
Работа исследователей доказала, что третичные амины могут стать важным элементом новых, более безопасных и функциональных электролитов в аккумуляторах следующего поколения.
Исследование поддержано Российским научным фондом (грант № 24-79-00170).
