Механизм и снижение растворения нержавеющей стали в электролитах литий-ионных аккумуляторов на основе LiFSI

Почему это исследование важно для будущих аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы питают всё — от ноутбуков до электромобилей, и производители стремятся увеличить их ёмкость и скорость зарядки. Для достижения этих целей внедряются новые рецептуры электролитов и электродов повышенной энергии. Один перспективный компонент электролита, LiFSI, улучшает стабильность и характеристики, но имеет скрытый недостаток: он может медленно вызывать коррозию деталей из нержавеющей стали внутри ячейки. В этой работе подробно показано, как именно развивается такое повреждение, и предложен практичный способ его остановить, что открывает путь к более безопасным и долговечным аккумуляторам высокой энергии.

Скрытые повреждения внутри корпуса аккумулятора

Во многих коммерческих форматах аккумуляторов, включая цилиндрические и монетные элементы, для корпуса и внутренних компонентов используется нержавеющая сталь. При нормальных условиях сталь защищена тонкой стабильной оксидной плёнкой. Авторы показывают, что в электролитах на основе LiFSI эта защита может давать сбой, особенно при более высоких напряжениях, применяемых в современных никель-богатых катодах. Крошечные количества хлорида, часто остающегося после производства солей, и анион FSI из LiFSI действуют совместно, разрушая сталь. Хлорид запускает процесс, создавая микроскопические питтинговые ямки на поверхности. После образования этих ямок железо из нержавеющей стали переходит в раствор, а соединения на основе FSI препятствуют восстановлению защитного оксида, поэтому металл продолжает растворяться и ямки углубляются.

Как агрессивные ионы разъедают металл

Чтобы разъять роли разных ионов, исследователи систематически варьировали уровень хлорида и состав соли, одновременно контролируя ток, морфологию поверхности и выделение газов. При низком содержании хлорида поверхность стали снова пассивировалась после начального возмущения, но как только концентрация хлорида превышала десятки частей на миллион, питтинг переставал заживать и растворение продолжалось. Изображения и химический анализ показывают, что в растворах, богатых хлоридом, поверхность усеяна оксидами железа и ямками, тогда как в чистых электролитах LiFSI ямок меньше, но они гораздо глубже: растворённое железо образует растворимые комплексы вместо осаждения. Эти растворённые ионы металла мигрируют через ячейку и оседают на отрицательном электроде, шершавят поверхность лития и способствуют образованию газов, таких как водород и диоксид углерода — оба нежелательны для безопасности и срока службы аккумулятора.

Защитная вспомогательная соль, меняющая интерфейс

Команда затем изучила, может ли добавление второй соли, LiDFOB, защитить сталь, не лишая электролит преимуществ LiFSI. Электрохимические испытания показали, что даже умеренные количества LiDFOB сдвигают начало растворения нержавеющей стали на более высокие напряжения и резко снижают коррозионный ток. Микроскопия подтвердила, что при наличии LiDFOB питтинга практически исчезают. Спектроскопия, чувствительная к поверхности, показала, что в электролитах только на LiFSI окисленные формы железа и хрома соединяются с фрагментами, связанными с FSI, что согласуется с продолжающимся растворением. Напротив, в электролитах с LiDFOB на поверхности сохраняется больше металлического железа и хрома, а также появляются соединения, богатые бором и фтором, связанные с разложением LiDFOB.

Как защитный слой выигрывает конкуренцию

На первый взгляд может показаться, что сплошная борсодержащая плёнка просто экранирует сталь. Однако дополнительные эксперименты по иммерсии и моделирование дают более тонкую картину. Авторы предлагают, что ключевым является конкуренция между разными анионами за пространство непосредственно на металлической поверхности. Измерения поведения поверхностного заряда вместе с компьютерными симуляциями показывают: анион LiDFOB связывается с поверхностью оксида железа сильнее, чем хлорид или FSI. На практике анионы LiDFOB захватывают внутренний слой жидкости у стальной поверхности, занимая те самые места, где агрессивные ионы в противном случае инициировали бы атаку. Блокируя доступ, они подавляют и начальный хлорид-индуцированный питтинг, и последующее глубинное растворение, управляемое FSI, что в свою очередь уменьшает выделение газов и осаждение металла в других частях ячейки.

От механизма к более производительным аккумуляторам

Чтобы проверить, преобразуется ли эта химическая защита в реальные преимущества, исследователи циклировали графит||NMC811 и кремний-графит||NMC811 элементы с разными электролитами и марками нержавеющей стали. Элементы только с LiFSI выходили из строя рано из-за растворения металла, тогда как комбинированные электролиты LiFSI–LiDFOB демонстрировали существенно увеличенный срок службы. В сочетании с более коррозионно-устойчивой нержавеющей сталью (SUS316L) и оптимизированным двухсольным электролитом кремний-графитовые ячейки достигали примерно 300 циклов до 80% оставшейся ёмкости. Пакетные элементы без стальной фурнитуры, но с тем же электролитом также работали примерно в два раза дольше, чем с обычной формулой на основе LiPF6, что подчёркивает более широкое стабилизирующее действие LiDFOB на интерфейсы аккумулятора.

Что это значит для повседневных технологий

Проще говоря, исследование показывает: перспективная высокопроизводительная соль LiFSI может тихо корродировать стальные части, удерживающие аккумулятор вместе — особенно при наличии следов хлорида. Авторы выяснили, что хлорид проделывает крошечные дыры в защитной плёнке, а LiFSI мешает этим дыркам зарастать, удерживая растворённое железо в растворённом состоянии, так что повреждение распространяется. Добавлением LiDFOB, анионы которого предпочитательно выстраиваются на стальной поверхности и отталкивают вредные ионы, коррозия в значительной мере прекращается, уменьшается выделение газов, и как монетные, так и пакетные элементы работают гораздо дольше. Такое сочетание мощной, но коррозионно активной соли с продуманно выбранным «телохранителем» предлагает практичный рецепт для более безопасных, долговечных высокоэнергетических литий-ионных аккумуляторов, которые могут найти применение в будущих электромобилях и крупноформатных ячейках.

Цитирование: Yan, P., Stan, M.C., Zhour, K. et al. Mechanism and mitigation of stainless steel dissolution in LiFSI-based lithium-ion battery electrolytes. Nat Commun 17, 3866 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72530-5

Ключевые слова: литий-ионные аккумуляторы, добавки в электролит, коррозия нержавеющей стали, LiFSI, LiDFOB