В Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США ученые идентифицировали одного из главных виновников постепенного снижения емкости литий-ионных батарей. Этому посвящена статья, которая была опубликована онлайн в Journal of the Electrochemical Society.

Ёмкость батарей, применяемых сегодня в ноутбуках, смартфонах и гибридных авто, напрямую связана с количеством ионов лития, перемещаемых между двумя электродами в ходе зарядки и разрядки.

Такая циркуляция осуществляется с помощью ионов некоторых переходных металлов, которые изменяют состояние окисления, когда ионы лития заходят в катод и покидают его. По мере роста количества циклов эксплуатации батареи все больше этих ионов — в частности, ионов марганца — выводятся из материала катода и концентрируются на аноде.

Оказавшись вблизи анода, они вступают во взаимодействие с областью, которая носит название интерфазы твёрдого электролита и формируется в процессе реакции между анодом и жидким электролитом. Каждой молекуле электролита, разлагаемой при такой реакции (восстановительная реакция), соответствует ион лития, связанный в интерфазе. Чем больше ионов лития оседает в интерфазе, тем больше снижается ёмкость батареи.

Когда в интерфазу попадают ионы марганца, они катализируют реакции с неполностью восстановленными молекулами, которые присоединяют больше электронов и связывают больше ионов лития.

«Имеется прямая корреляция между количеством марганца, попавшего на анод, и количеством захваченного лития, — комментирует результаты работы соавтор статьи, Дэниэль Абрахам (Daniel Abraham). — Теперь, зная механизмы, которые отвечают за захват литиевых ионов и ухудшение ёмкости, мы можем найти методы решения этой проблемы».