Совместный исследовательский проект ученых из Гонконга и США позволил разработать новый катод на основе многослойного материала, богатого литием и марганцем (LMR), который способен существенно увеличить емкость литий-ионных батарей, преодолев ограничения существующих технологий. Об этом сообщает портал TechXplore. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Литий-ионные батареи (LiB) – перезаряжаемые батареи, которые сохраняют энергию за счет обратимого восстановления ионов лития, остаются одной из наиболее широко используемых аккумуляторных технологий во всем мире. Эти батареи питают широкий спектр устройств, от смартфонов, наушников и ПК до умных бытовых приборов и электромобилей.
Группа исследователей из Городского университета Гонконга и ряда научных центров в США под эгидой Северо-Западного университета в Чикаго разработала решение, способное серьезно улучшить производительность LiB, продлить срок их службы и увеличить их энергоемкость за счет нового типа катодного материала.
«Наше недавнее исследование было сосредоточено на конкретном типе материала, называемом многослойными катодами, богатыми литием и марганцем (LMR), которые обладают возможностью хранить гораздо больше энергии, чем современные коммерческие катоды», – пояснил для TechXplore профессор Ци Лю, один из ведущих исследователей.
Известно, что многослойные катоды LMR подвержены явлению, известному как «утечка напряжения», которое влечет за собой быстрый износ катодов и потерю заряда в батарее. Эта хорошо изученная проблема ранее не находила решения, что значительно ограничивает производительность LiB и их общий потенциал.
В последнее время наблюдается всплеск интереса к классу материалов LMR, характеризующихся уникальной O2-многослойной структурой. Выявилось, что эти материалы демонстрируют меньшее падение напряжения по сравнению с обычными LMR со структурой O3-типа, а также дают возможность точнее отрегулировать локальную структуру изначально нестабильной сотовой решетки.
Профессор Лю и его коллеги смогли сконструировать новый катод LMR со стабилизированной сотовой структурой. Они ввели ионы переходного металла (TM) в слои лития выше или ниже сотовой структуры, чтобы повысить ее стабильность. Используя метод ионного обмена (то есть систему для эффективного удаления или растворения ионов), исследователи превратили комбинированный материал на основе натрия, лития, марганца и никеля в желаемый катод LMR O2-типа.
«Уникальными характеристиками созданного нами материала является включение ионов ТМ, стратегически расположенных над или под сотовой структурой, которые действуют как крышка для стабилизации хрупкого каркаса. Преимущество нашего катода LMR заключается в значительно более низком спаде напряжения при использовании батареи по сравнению с традиционными катодами», – пояснил профессор Лю.
В тестовых испытаниях новый катод, обогащенный литием, показал себя успешно, подтвердив возможности продлить срок службы и повысить производительность литий-ионных аккумуляторов. Однако основное внимание при тестировании было уделено тому, насколько удалось преодолеть недостатки, вызываемые явлением «утечки напряжения». По оценке исследователей, эта давняя проблема была почти полностью устранена.
«Мы обнаружили, что, включив дополнительные TM в материал катода, мы можем стабилизировать сотовую структуру, что приводит лишь к незначительному спаду напряжения – всего на 0,02 мВ за цикл», – отметил профессор Лю.
Теперь исследовательская группа ставит перед собой задачу поиска решения еще одной сложной проблемы катодных материалов LMR – гистерезиса напряжения. Это явление вызывается разницей в профилях напряжения во время циклов зарядки и разрядки аккумулятора.
Ранее широко считалось, что гистерезис напряжения возникает из-за нестабильности сотовой надстройки, но даже с улучшенной стабильностью во время циклов, обеспечиваемой новой разработкой, явление гистерезиса напряжения не было устранено. Решение этой проблемы, как ожидается, позволит еще больше повысить плотность энергии для многослойных катодных материалов.