В электролите литиевых батарей обнаружили кластеры из нескольких ионов лития без непосредственно связанных с ними отрицательно заряженных ионов. Их выявили исследователи Колумбийского университета и компании Schrödinger, объединив компьютерное моделирование со спектроскопией ядерного магнитного резонанса и другими экспериментальными данными. Статья вышла в журнале Nature 15 октября 2026 года.

Как проверяли существование кластеров

Команда смоделировала раствор соли LiPF₆ в этиленкарбонате. При концентрации 1,2 моль на литр модель отнесла к многолитиевым кластерам около 40% ионов лития. При 2 моль на литр доля превышала 68%, а при 0,5 моль на литр составляла около 23%. Эти результаты относятся только к смоделированному составу, а не ко всем литиевым батареям.

Чтобы проверить модель, исследователи сравнили рассчитанные спектры с данными твердотельного ядерного магнитного резонанса, квантово-химическими расчётами и измеренными свойствами электролита. Образцы для спектроскопии быстро замораживали: при рабочей температуре ионы в жидком растворе быстро меняют окружение, поэтому его трудно различить. Расчётные и экспериментальные спектры согласовались. В частности, с ростом концентрации соли менялся сигнал, связанный с молекулами растворителя.

Затем авторы рассчитали, насколько легко разные комплексы принимают электрон. Для кластеров из двух ионов лития полученные значения оказались близки к напряжению, при котором на аноде обычно начинает формироваться тонкий защитный слой. Исследователи предполагают, что такие кластеры могут участвовать в первых реакциях его образования.

Представим условный раствор, в котором отдельные ионы лития окружены молекулами растворителя. Согласно предложенному механизму, часть ионов сближается, и образовавшийся комплекс может легче принять электрон у поверхности анода. Это помогает объяснить, как состав электролита влияет на появление защитного слоя. Однако такую роль кластеров пока предполагают по расчётам и сравнению с известным порогом реакции: всю последовательность процессов у работающего электрода напрямую не наблюдали.

Исследование проводили для конкретной системы LiPF₆ в этиленкарбонате. Оно не показывает, что такие же доли кластеров возникают в любых электролитах, и не демонстрирует готовую батарею с увеличенным сроком службы или более быстрой зарядкой. Авторы планируют дополнить модели описанием электродов и химических реакций на их поверхности. Подробно разбирать устройство подобных исследований помогают материалы о подготовке научных статей.

Схема показывает цепочку от предсказанных кластеров ионов лития к предполагаемому участию в начальном формировании защитного слоя на аноде; прямое подтверждение механизма на работающей батарее не заявлено.

Фото: Ayyeee Ayyeee / Pexels