Российские ученые синтезировали материал, который вдвое увеличивает емкость литий-ионных аккумуляторов
Ученым из Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) и Сахалинского государственного университета (СахГУ) совместно с коллегами из других российских вузов и институтов РАН удалось не только вдвое увеличить емкость катодного материала литий-ионных аккумуляторов, но и обеспечить бережное сохранение его ресурса после многократных циклов зарядки и разрядки.
От свойств катода (положительного электрода) напрямую зависит, сколько энергии может запасти батарея. Одним из самых перспективных материалов для катодов считается фосфат ванадия-лития. У него высокая теоретическая емкость и он безопасен в использовании, но есть серьезный недостаток: он очень плохо проводит электрический ток. Из-за этого аккумуляторы на его основе не могут быстро отдавать энергию и быстро теряют свою емкость после нескольких десятков циклов зарядки.
Чтобы решить эту проблему, авторы синтезировали материал с добавлением углеродного покрытия, используя обычную лимонную кислоту как источник углерода. Весь процесс напоминает выпечку: исходную смесь нагревали в печи в атмосфере аргона при разных температурах — от 700 до 1000 °C — и с разным количеством углеродной добавки. Сам метод называется золь-гель синтезом, он позволяет получить однородный материал с частицами нанометрового размера.
Лучший результат показал образец, который нагревали до 900 °C и добавляли лимонной кислоты ровно столько же, сколько и солей. Его удельная емкость составила 114 мА·ч/г — это ровно в два раза больше, чем у образцов с меньшим содержанием углерода.
Исследователи установили: при нагреве до 900 °C кристаллы материала становятся идеально упорядоченными, а углерод образует тонкую защитную оболочку вокруг каждой частицы. Эта оболочка выполняет сразу две важные задачи: она отлично проводит электричество и одновременно защищает материал от агрессивного воздействия электролита. В результате ионы лития легко проникают внутрь материала, электроны быстро бегут по углеродной сетке, а сам катод не разрушается со временем. При более низких температурах кристаллы получаются несовершенными, а при более высоких — частицы слипаются, что резко снижает полезную поверхность. При недостатке углерода защитная оболочка получается рваной, и материал быстро окисляется.
«Нам удалось повысить емкость без потери ресурса. Обычно, когда пытаются улучшить один параметр батареи, страдает другой. Здесь же мы получили и удвоение емкости, и 100-процентное сохранение после 25 циклов», — рассказал один из авторов исследования, научный сотрудник лаборатории ядерных технологий ДВФУ, кандидат химических наук Олег Шичалин.
Ученые отмечают, что предложенный ими метод легко масштабировать для промышленного производства, не требует сложного оборудования или дорогих материалов. Это значит, что в ближайшем будущем производители аккумуляторов смогут выпускать батареи, которые будут работать вдвое дольше без подзарядки и при этом служить годами без потери емкости. Такие аккумуляторы востребованы везде: от смартфонов и ноутбуков до электромобилей и систем хранения энергии солнечных батарей.