Индивидуально сформированный твердый интерфейс электролита литиевого металла посредством модуляции электрическим полем направления движения анионов

Более безопасные и долговечные батареи для повседневных устройств

Современная жизнь зависит от перезаряжаемых батарей — от смартфонов до электромобилей. Но существующие литий-ионные аккумуляторы приближаются к своим энергетическим пределам и по-прежнему используют легковоспламеняющиеся жидкости, которые при сбое могут стать источником пожара. В этом исследовании рассматривается новый негорючий жидкий электролит, который не только делает высокоэнергетические литий-металлические батареи безопаснее, но и позволяет им служить значительно дольше, даже в тяжёлых условиях эксплуатации.

Новая жидкость, созданная для сопротивления возгоранию

Исследователи начали со специального растворителя — триэтилфосфата, который сам по себе трудно воспламеняется. Однако в чистом виде этот растворитель плохо работает с высокореактивным литиевым металлом, способным обеспечить гораздо большую энергоёмкость по сравнению с графитными анодами. В обычных жидкостях для батарей при контакте с литиевым металлом происходит разложение и образование хрупкого поверхностного слоя, что ухудшает срок службы и безопасность. Чтобы это исправить, команда добавляет в негорючий растворитель тщательно подобранную смесь из трёх литиевых солей, получая электролит, который одновременно эффективно проводит заряд и формирует прочную защитную «кожу» на литиевом металле.

Управление ионами с помощью электрического поля

В основе разработки лежит поведение различных отрицательно заряженных ионов (анионов) в жидкости при взаимодействии с ионами лития в электрическом поле во время работы батареи. С помощью компьютерного моделирования авторы показывают, что два аниона (происходящие из дифтороборат- и нитрат-анионов лития) прочно прилипают к ионам лития. По мере того как ионы лития движутся к металлической поверхности при зарядке, эти анионы тащатся вместе с ними и скапливаются возле лития. Третий анион (из тетрафтороборат-аниона лития) связывается слабее, поэтому остаётся дальше и свободнее перемещается в жидкости. Такое неоднородное поведение означает, что соли разлагаются не в одном и том же месте: прочно связанные анионы разлагаются прямо у поверхности лития, тогда как слабее связанные реагируют преимущественно дальше от неё.

Формирование «умной» защитной оболочки

Это контролируемое разложение создаёт «умный» твёрдый слой, называемый твёрдоэлектролитным интерфейсом (SEI), с целенаправленной структурой. Ближе к литиевому металлу слой богат соединениями, содержащими бор и азот, которые образуют гибкую стекловидную матрицу и высокопроводящую фазу нитрида лития. Эти внутренние компоненты помогают ионам лития быстро и равномерно перемещаться, уменьшая вероятность образования острых игольчатых отростков — дендритов — способных пробить сепаратор. Во внешней зоне разложение фторсодержащей соли даёт оболочку, богатую фторидом лития — твёрдым, стабильным соединением, которое повышает жёсткость поверхности и дополнительно препятствует росту дендритов. Эксперименты с использованием продвинутых микроскопов и зондов поверхности подтверждают эту внутренне-внешнюю слоистость и показывают, что новый SEI одновременно механически прочен и обладает высокой проводимостью.

Усиленные характеристики на обоих электродах батареи

Преимущества специально подобранного электролита проявляются по обе стороны батареи. На стороне литий-металла тестовые ячейки демонстрируют гораздо более гладкие, плотные отложения лития и значительно меньше дендритов по сравнению со стандартной, горючей карбонатной жидкостью. Ячейки работают более 1000 часов в простых тестах с литий-металлом и сохраняют высокую эффективность при многократном нанесении и снятии лития. На положительной стороне команда сочетает электролит с высокоэнергетическим катодным материалом NCM811, распространённым в передовых ячейках для электромобилей. При высоких напряжениях, на которых многие электролиты разрушаются, новая жидкость образует тонкую, в основном неорганическую защитную плёнку на поверхности катода. Эта плёнка снижает нежелательные побочные реакции, препятствует растворению атомов металла из катода в жидкость и помогает сохранять кристаллическую структуру катода при многократных циклах зарядки и разрядки.

Высокая энергоёмкость, долгий срок службы и повышенная безопасность

В совокупности эти эффекты дают высокопроизводительную литий-металлическую батарею, которая при этом безопаснее. Полные ячейки с новым электролитом могут работать при высоком предельном напряжении 4,5 В в течение 600 циклов, сохраняя около 90% ёмкости при комнатной температуре и более 80% при 60 °C — показатели, существенно превосходящие характеристики ячеек с обычными жидкостями. Практическая pouch-ячейка с реалистичной, высоконагруженной катодной массой обеспечивает удельную энергию примерно 430 Вт·ч на килограмм общей массы ячейки и при этом сохраняет большую часть ёмкости после десятков циклов. Испытания на нагрев и на воспламеняемость показывают, что негорючий электролит значительно уменьшает энергию, выделяемую при перегреве, и устойчив к возгоранию по сравнению с коммерческими составами. Проще говоря, исследование демонстрирует, что при аккуратном управлении тем, как разные ионы движутся и разлагаются в электрическом поле, возможно создать негорючую жидкость, защищающую оба электрода и обеспечивающую высокоэнергетические литий-металлические батареи с более длительным сроком службы и меньшим риском возгорания.

Цитирование: Xu, S., Zheng, L., Guo, X. et al. Customized composition of lithium metal solid-electrolyte interphase by electric field modulation of anion motion direction. Nat Commun 17, 1790 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68498-x

Ключевые слова: литий-металлические батареи, негорючий электролит, твердый электролитный интерфейс, катоды высокого напряжения, безопасность батарей