Предложен новый метод синтеза альтернативного материала для катодов литиевых аккумуляторов
Сотрудники Кольского научного центра РАН и Сахалинского государственного университета провели комплексное исследование перспективного соединения лития, кобальта и марганца (Li₂CoMn₃O₈), которое теоретически способно обеспечить рабочее напряжение выше 5 В при сохранении приемлемой удельной емкости аккумулятора. Разработанный подход не только повышает экономическую эффективность процесса производства катодов для литий-ионных аккумуляторов, но и уменьшает экологическую нагрузку.
Литий-ионные аккумуляторы сегодня являются одним из основных способов хранения энергии. Они находят практическое применение не только в ноутбуках, смартфонах и электромобилях, но и в крупных промышленных системах хранения энергии. Традиционно используемый в таких аккумуляторах в качестве материала катода оксид кобальта лития, несмотря на хорошие электрохимические характеристики, обладает рядом существенных недостатков. Среди них — высокая стоимостью и склонностью к перегреву.
Последнее делает батареи опасным. Альтернативные материалы катода (например, литий-марганцевая шпинель или соединения лития и никеля) либо демонстрируют достаточно быстрое падение емкости с каждым циклом зарядки-разрядки, либо требуют достаточно сложных условий синтеза. Это делает подобные решения дорогими, и они не могут экономически конкурировать с существующими вариантами. Существует также решение на основе соединений лития железа и фосфора (LiFePO₄), но удельная электрическая емкость таких батарей и напряжение аккумуляторов гораздо ниже, и они не смогут покрыть потребности современной промышленности.
Особый интерес представляют сложные оксидные соединения лития и переходных металлов, сочетающие в себе высокое рабочее напряжение и достаточную стабильность емкости аккумулятора при многократных циклах заряда-разряда. Основная проблема — в сложности их синтеза. Обычно это сложный и многостадийный процесс, требующий длительной высокотемпературной обработки и дорогостоящего оборудования, что делает производство энергоемким и экономически невыгодным.
Авторы предложили оригинальный комбинированный подход, объединивший преимущества золь-гель технологии и твердофазного синтеза. На первом этапе из смеси растворов хлоридов кобальта и марганца в соотношении 1:3 в щелочной среде, создаваемой избытком гидроксида лития, осаждают гидроксиды металлов. Ключевой особенностью стало использование гипохлорита натрия в качестве окислителя. Этот доступный и относительно дешевый реагент, позволил перевести ионы кобальта и марганца в более высокие степени окисления при комнатной температуре. Последующая гидродинамическая обработка суспензии при 90 °C способствовала формированию промежуточных оксогидроксидных соединений, а окончательная кристаллизация целевого материала происходила в процессе умеренного отжига при 500 °C в течение всего одного часа.
Полученные в результате такого подхода образцы катодного материала подвергли комплексному анализу для подтверждения его свойств. Рентгенофазовый анализ подтвердил формирование целевой кристаллической структуры, а данные сканирующей электронной микроскопии показали, что материал состоит из наноразмерных частиц (40-60 нм), склонных к образованию более крупных агрегатов. Особое внимание было уделено изучению электрофизических свойств с помощью импедансной спектроскопии. Результаты оказались впечатляющими: образец Li₂CoMn₃O₈, синтезированный в оптимальных условиях, продемонстрировал удельную ионную проводимость, вдвое превышающую показатели материала, полученного при других соотношениях компонентов.
Не менее важен экологический аспект технологической схемы, предусматривающей замкнутые циклы использования реагентов. Предложенная система синтеза Li₂CoMn₃O₈ позволяет возвращать в производственный процесс ценные компоненты, значительно снижая объемы отходов.
По мнению ученых, полученные результаты открывают новые возможности для создания литий-ионных аккумуляторов нового поколения с улучшенными характеристиками. Катодный материал Li₂CoMn₃O₈, сочетающий высокое рабочее напряжение, хорошую ионную проводимость и относительную простоту синтеза, может стать достойной альтернативой существующим аналогам, особенно в мощных аккумуляторных системах для стационарных накопителей энергии, а также электромобилей.
Дальнейшие исследования будут направлены на оптимизацию морфологии материала для улучшения его электрохимических свойств, а также на оценку экологической безопасности на всех этапах жизненного цикла.