Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы являются одной из наиболее распространенных аккумуляторных технологий во всем мире благодаря их легкому весу, высокой плотности энергии, простоте процесса изготовления, быстрому времени зарядки и другим выгодным свойствам. Определение стратегий, которые могли бы еще больше повысить их производительность или облегчить их будущее масштабирование, было в центре внимания многочисленных недавних исследований.
Один из предложенных подходов к улучшению характеристик литий-ионных аккумуляторов предполагает поиск новых перспективных катодных материалов , которые можно изготовить из металлов, широко распространенных в природе. До сих пор было обнаружено, что литий-ионные катоды в некотором смысле неэффективны, поскольку фазовые переходы внутри них могут вызвать так называемый гистерезис напряжения, который отрицательно влияет на емкость аккумулятора .
Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли и других институтов США недавно открыли нетрадиционное фазовое превращение в катодных материалах, богатых литием и марганцем (Mn). Открытый ими новый этап, описанный в статье в журнале Nature Energy, может позволить создать высокоэффективные батареи с катодами на основе Mn.
«Мы хотим создать катодные материалы с высокой плотностью энергии для литий-ионных аккумуляторов, которые могут быть изготовлены из металлов, богатых землей, в отличие от современных катодных материалов, которые содержат как Co, так и Ni», — рассказал Tech Xplore Гербранд Седер, соавтор статьи. «Это будет означать, что литий-ионные аккумуляторы станут менее дорогими, что поможет им проникнуть на рынок электромобилей, сетей и т. д.».
Mn — металл, который широко распространен на Земле, поскольку он уже широко производится в больших количествах для различных реальных применений. Этот металл имеет хорошее окислительно-восстановительное напряжение и поэтому может хорошо работать в литий-ионных батареях с высокой плотностью энергии.
Именно эти полезные свойства в конечном итоге вдохновили Седера и его коллег попытаться создать катоды, содержащие большое количество Mn. В некоторых исследованиях уже изучался потенциал катодов, богатых марганцем, однако большинство полученных к настоящему времени результатов оказались неудовлетворительными.
«Предыдущие попытки использовать катоды на основе Mn страдали от того факта, что Mn имеет тенденцию перемещаться и перестраивать кристаллическую структуру , с которой вы начинаете», — сказал Седер. «Мы решили превратить это в преимущество и начать с материала (DRX), который при циклическом использовании превращается в структуру, очень удобную для хранения лития. Итак, это была форма обратного дизайна: мы знали, что материал будет трансформироваться, поэтому мы просто позаботились о том, чтобы оно превратилось во что-то очень подходящее для хранения лития».
Новая фаза, которую Седер и его коллеги представили в своем исследовании, получившая название дельта-фаза (δ), имеет уникальную, нетрадиционную структуру. Эта структура напоминает структуру шпинели — класса керамики, обычно характеризующегося упорядоченной внутренней организацией.
«Обнаруженная нами фаза связана с известной структурой шпинели, но формирует эту структуру только в очень маленьких доменах, которые находятся в противофазе друг с другом», — объяснил Седер. «Шпинель — это структура, которая, как известно, хранит ионы лития, но ее коммерциализация была проблематичной, поскольку при циклическом использовании в батарее она подвергается разрушительному фазовому превращению».
В фазе, наблюдаемой исследователями, небольшие домены шпинели действуют независимо. Это предотвращает деструктивный переход, ранее наблюдавшийся в катодах на основе шпинели во время работы батареи, вместо этого позволяя батареям сохранять хорошую емкость в течение нескольких циклов работы батареи.
«Мы можем создавать «сложные» конструкции на месте, одновременно заряжая и разряжая батарею, и эти сложные конструкции могут иметь превосходные характеристики», — сказал Седер. «Катодный материал, основанный только на предшественниках оксидов Mn и Ti, потенциально может быть очень дешевым и может снизить стоимость литий-ионных батарей на 40–50%. Это сделает батареи для электромобилей и сетей намного дешевле».
В своих экспериментах исследователи смогли определить кинетические механизмы, лежащие в основе перехода их богатых литием и марганцем катодов в так называемую дельта-фазу. Это может проложить путь к разработке более перспективных катодных материалов со схожими характеристиками.
Первоначальные испытания, проведенные Седером и его коллегами, дали очень многообещающие результаты, поскольку было обнаружено, что представленная ими фаза обеспечивает как высокую плотность энергии, так и хорошую цикличность батареи. Таким образом, в будущем их работа может побудить другие команды изучить потенциал катодов, богатых марганцем, используя аналогичные экспериментальные стратегии.
«Мы верим, что сможем производить материалы с еще более высокой плотностью энергии», — добавил Седер. «Кроме того, мы работаем над ускорением этого преобразования в дельту, чтобы не приходилось ждать 10–20 циклов, чтобы получить максимальную производительность от батареи».
Теги: батарея
