Вычисление электролита

Емкие электрические аккумуляторы обеспечивают работу многочисленных гаджетов, питают современные электроинструменты и приборы, не говоря уже об электромобилях. Однако литий-ионные аккумуляторы близки к исчерпанию своих возможностей. По-видимому, сильно уменьшить их вес уже не удастся. Да и запасы лития в природе ограниченны, что не позволяет полностью насытить мировой рынок. Жизнь требует качественных решений, которые смогут дать миру новый аккумулятор с энергоемкостью на порядок выше. Поэтому исследователи активно ведут поиск новых конструкций. Долгоживущих, емких, дешевых.

Три основных элемента батареи — это анод, катод и электролит, который при зарядке и разрядке переносит ионы между ними. Работает он в термодинамически неравновесных условиях, а выбор его бесконечно многообразен. Методам научного поиска новых электролитов и прогрессу их получения посвящен новый обзор, появившийся в декабре 2022 года в журнале Science. Написан обзор тремя американскими учеными из Аргонской национальной лаборатории Министерства энергетики США. Основной автор работы — главный научный сотрудник лаборатории и профессор молекулярной инженерии Чикагского университета Ширли Менг (Shirley Meng).

Выбор электролита важен, так как даже небольшое усовершенствование современных литий-ионных батарей требует его изменения. Стоило перейти к серосодержащим материалам, к примеру сульфату свинца, для анодов вместо никельсодержащих оксидов, как сразу потребовались изменения. Эта же проблема межэлектродной среды существует и для натрий-ионных и литий-кислородных аккумуляторов.

Особое внимание авторы статьи обращают на формирование на электродах покрывающих их интерфаз нанометровой толщины, которые снижают эффективность идущих реакций. А это критически важно для работы аккумулятора. Профессор Менг считает, что необходимо в ближайшее время изучить, как проходят ионы через интерфазы, и разработать электролиты, минимизирующие их влияние.

Существенная часть обзора посвящена созданию серии долгоживущих твердых электролитов, устойчивых к экстремально высоким и низким температурам. На металлическом аноде, ключевом элементе твердых батарей, обычно образуются дендриты, ухудшающие работу. Однако авторы обзора считают, что можно найти твердую среду, устраняющую или сдерживающую их рост.

Ученые также уверены, что магистральный путь к прорывным достижениям лежит через быстрые компьютерные расчеты химических сред, применение искусственного интеллекта для их перебора и полной автоматизации исследований. Это позволит на порядки быстрее, чем в обычных лабораториях, создавать новые электролиты и выяснять их параметры. Роботы способны безошибочно проводить тонкие эксперименты и прецизионные исследования комбинаций электролитов 24 часа в сутки. Профессор замечает, что начать применять компьютерные методы ее группу заставила научная необходимость. Сегодня стандартная лаборатория может изучить от силы несколько электролитов в месяц, но жизнь требует в сотни раз больше. (Science, 2022; 378 (6624))