Ученые Дальневосточного федерального университета вместе с коллегами из российских и зарубежных научных центров нашли способ значительно улучшить литий-ионные аккумуляторы, которые используются в смартфонах, ноутбуках и электромобилях. Им удалось увеличить емкость катодного материала в два раза и при этом полностью сохранить его ресурс после многократных циклов зарядки и разрядки. Это означает, что будущие батареи смогут работать вдвое дольше без подзарядки и при этом не будут быстро изнашиваться.
Главная проблема современных аккумуляторов кроется в катоде — положительном электроде, от которого напрямую зависит, сколько энергии может запасти батарея. Один из самых перспективных материалов для катодов называется 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, ученые 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.
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% сохранение после 25 циклов,
— комментирует один из авторов исследования, к.х.н., научный сотрудник лаборатории ядерных технологий ДВФУ Олег Шичалин.
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.
Фосфат ванадия лития известен ученым давно, но его плохая проводимость долгое время мешала использовать его в реальных батареях. Теперь исследователи нашли простой и дешевый способ решить эту проблему — достаточно подобрать правильную температуру и точное количество лимонной кислоты. Метод легко масштабировать для промышленного производства, он 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 от солнечных батарей.
В работе принимали участие ученые из лаборатории электрохимических источников энергии Института естественных наук и техносферной безопасности Сахалинского государственного университета, Дальневосточного федерального университета, Дальневосточного геологического института Дальневосточного отделения Российской академии наук, Московского центра перспективных исследований, кафедры общей физики Пермского национального исследовательского политехнического университета, центра перспективных технологий XPANCEO (Дубай), а также Кольского научного центра Российской академии наук.
Исследование опубликовано в журнале Journal of Composites Science.
Источник: Минобрнауки России
