Квантовая химия для разработки новых батареек

Дизайн и синтез новых анионов для солей лития, использующихся в неводных жидких, гелеобразных и полимерных электролитах, в настоящее время представляет собой задачу первостепенной важности для разработки новых типов литиевых батарей. Энергия сольватации ионных соединений лития – фактор, определяющий электролитические свойства производных легкого щелочного металла, зависит в первую очередь от соотношения энергий взаимодействия катион-растворитель и катион-анион.

Патрик Йоханссон (Patrik Johansson), специалист по компьютерной химии из Университета Чальмерз (Швеция), показал, что квантово-химические вычисления различными методами (модель Хартри-Фока и модель DFT) могут использоваться для отбора литиевых солей в качестве кандидатов для использования в электрических батарейках.

Йоханссон сосредоточил свои поиски на обнаружении солей, анионы которых имеют слабое сродство по отношению к катионам лития. Малая прочность связи катион-анион понижает степень образования ионных пар, приводя к высокой концентрации заряженных носителей электрического тока в электролите, что, тем самым, повышает эффективность источника электрического тока.

Исследование включало в себя расчеты свойств около 50 анионов и образованных ими с ионами лития ионных пар. Йоханссон ожидал, что объемные органические анионы будут отличаться гораздо меньшим сродством к иону лития, однако его ожидания не подтвердились.

Шведский ученый обнаружил, что наиболее низкая энергия связывания анион-катион наблюдается в солях, ион лития в которых связан с анионами среднего размера (молекулярный объем которых лежит в пределах 150 — 200 кубических ангстрем), взаимодействующих с катионом щелочного металла за счет атомов азота. Именно эти анионы, как предполагает специалист по компьютерной химии, могут оказаться полезными для разработки литиевых батарей нового поколения.

Резюмируя результаты своих исследований, Йоханссон рекомендует химикам-синтетикам и технологам сосредоточить усилия на получении солей лития, анионы которых представляют собой самые многообещающие для электрохимии (в соответствии с его выкладками) гетероциклические соединения.

Источник: Phys. Chem. Chem. Phys., 2007 web advanced publish