Исследовательская группа UNIST определила причины образования кислорода в новом катодном материале, называемом квазилитием, и предложила принцип разработки материала для решения этой проблемы.
Квазилитиевые материалы теоретически позволяют аккумуляторам хранить на 30–70 % больше энергии по сравнению с существующими технологиями посредством высоковольтной зарядки свыше 4,5 В. Это достижение может позволить электромобилям достигать дальности хода до 1000 км на одной зарядке. Однако в процессе высоковольтной зарядки кислород, находящийся внутри материала, может окисляться и выделяться в виде газа, что создает значительный риск взрыва.
Исследовательская группа под руководством профессора Хён-Вук Ли из Школы энергетики и химической инженерии обнаружила, что кислород окисляется при напряжении около 4,25 В, вызывая частичную структурную деформацию и выделение газа.
В своей статье , опубликованной в журнале Science Advances , они предложили новую конструкцию электродного материала, направленную на принципиальное предотвращение окисления кислорода путем замены некоторых переходных металлов в квазилитии элементами с более низкой электроотрицательностью.
Из-за разницы в электроотрицательности между двумя металлическими элементами электроны накапливаются вокруг более электроотрицательного элемента, увеличивая доступность электронов для переходного металла и предотвращая окисление кислорода. И наоборот, когда в переходном металле недостаточно доступных электронов, кислород замещает и высвобождает электроны, что приводит к его окислению и выделению газа.
Первый автор Мин-Хо Ким, научный сотрудник UNIST и научный сотрудник Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, пояснил: «В то время как предыдущие исследования были сосредоточены на стабилизации окисленного кислорода для предотвращения его выделения в виде газа, наше исследование отличается тем, что направлено на предотвращение самого окисления кислорода».
Кроме того, это изменение электронной плотности может вызвать рост зарядного напряжения, что приводит к достижению высокой плотности энергии. Поскольку плотность энергии пропорциональна числу доступных электронов и зарядному напряжению, стратегия замены переходных металлов в конечном итоге позволяет хранить больше энергии на единицу веса батареи. Этот принцип сродни тому, как плотина может хранить больше энергии, чем больше в ней воды и чем больше высота падения.
Исследовательская группа экспериментально подтвердила эффект подавления окисления кислорода при замене переходного металла (TM). Рентгеновский анализ, проведенный с помощью ускорителя, показал, что замена части рутения никелем значительно снизила выбросы газообразного кислорода. Теоретическое подтверждение перераспределения заряда было достигнуто с помощью расчетов теории функционала плотности (DFT).
Профессор Ли заявил: «Благодаря различным экспериментам и теоретическим анализам мы разработали библиотеку методов, которые могут помочь исследователям катодных материалов в их усилиях по разработке материалов. Эта работа будет способствовать разработке взрывобезопасных аккумуляторов с большим запасом хода и повышенной плотностью энергии».
