Химики нашли способ в разы продлить жизнь литий-ионным аккумуляторам
Литий-ионные аккумуляторы сегодня используются почти повсеместно — от смартфонов до электробусов. При этом именно материал катода во многом определяет, какой будет емкость батареи, ее мощность, срок службы и стоимость.
Источник: Олег Дрожжин / Из личного архива. Аспирант Анна Курашкина возле перчаточного бокса с атмосферой аргона.
МОСКВА, 28 марта. /Новости науки/. Ученые предложили новый способ защитить фосфат лития-марганца — перспективный материал для литий-ионных аккумуляторов, который отличается высокой емкостью, но быстро разрушается при работе. Исследователи сформировали на поверхности его частиц особую защитную оболочку с ионами железа, что позволило резко повысить устойчивость материала и примерно в 10 раз увеличить число допустимых циклов зарядки и разрядки, сообщает пресс-служба РНФ.
«Таким образом мы получили наночастицы со структурой “ядро-оболочка”: внутренняя их часть состояла из исходного фосфата лития-марганца, а внешняя — из твердого раствора этого соединения с фосфатом лития-железа. Это лишь один из примеров реализации нашего подхода, который в целом универсален и может быть применен для самых разнообразных приложений. Предложенная технология очень проста в реализации и не требует сложного оборудования. Поэтому ее будет легко масштабировать для промышленного применения», — приводятся в сообщении слова руководителя проекта, поддержанного грантом РНФ, кандидата химических наук, заведующего лабораторией материалов для электрохимических процессов химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова Олега Дрожжина.
Как отмечают ученые, литий-ионные аккумуляторы сегодня используются почти повсеместно — от смартфонов до электробусов. При этом именно материал катода во многом определяет, какой будет емкость батареи, ее мощность, срок службы и стоимость.
Одним из самых перспективных катодных материалов считается фосфат лития-марганца. Он безопасен, сравнительно доступен и способен обеспечивать примерно на 20% большую энергоемкость, чем широко применяемый фосфат лития-железа.
Однако у этого материала есть серьезный недостаток: он плохо выдерживает большое число циклов зарядки и разрядки. Проблема в том, что ионы марганца постепенно растворяются с поверхности катода в электролите, из-за чего сам электрод разрушается и теряет способность накапливать заряд.
Чтобы решить эту проблему, химики из МГУ и Сколтеха предложили создать на поверхности частиц фосфата лития-марганца защитную оболочку. Для этого наноразмерные частицы исходного вещества поместили в раствор с ионами железа и обработали его при температуре 150–200 градусов Цельсия под повышенным давлением.
В таких гидротермальных условиях значительная часть ионов марганца у поверхности частиц заместилась более стабильными ионами железа. В результате на поверхности образовалась оболочка толщиной в несколько нанометров, обогащенная железом и устойчивая к разрушению.
Особенно важно, что эта оболочка получилась не резкой, а градиентной. Иными словами, между внутренним «ядром» из исходного материала и внешним стабильным слоем не было четкой границы. По словам исследователей, это критически важно для долговечности, поскольку такое покрытие лучше выдерживает многократные циклы зарядки и разрядки.
Ученые могли управлять толщиной этой оболочки и количеством встроенных ионов железа, меняя температуру, длительность обработки и концентрацию раствора.
Из нового материала исследователи изготовили катод и проверили его работу в лабораторной модели аккумулятора. Испытания показали, что такой катод сохраняет емкость даже после 50 циклов зарядки и разрядки при повышенной температуре.
Для сравнения, обычный фосфат лития-марганца в аналогичных условиях теряет более половины емкости уже за первые несколько циклов. Это означает, что батареи на основе нового композита смогут работать заметно дольше, сохраняя при этом высокую энергоемкость.
По мнению ученых, предложенная технология может быть полезна не только для литий-ионных, но и для перспективных натрий-ионных аккумуляторов.
«В дальнейшем мы планируем использовать эту технологию на других фосфатных и оксидных материалах для литий-ионных и натрий-ионных аккумуляторов, причем в качестве объектов применения мы рассматриваем не только катоды, но и аноды. Комбинируя такие материалы с новыми типами связующего и композитных электролитов, которые разрабатываются сотрудниками химического факультета МГУ, мы надеемся создать основу для совершенно новых образцов металл-ионных аккумуляторов», — отметил Дрожжин.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Applied Surface Science.
«Таким образом мы получили наночастицы со структурой “ядро-оболочка”: внутренняя их часть состояла из исходного фосфата лития-марганца, а внешняя — из твердого раствора этого соединения с фосфатом лития-железа. Это лишь один из примеров реализации нашего подхода, который в целом универсален и может быть применен для самых разнообразных приложений. Предложенная технология очень проста в реализации и не требует сложного оборудования. Поэтому ее будет легко масштабировать для промышленного применения», — приводятся в сообщении слова руководителя проекта, поддержанного грантом РНФ, кандидата химических наук, заведующего лабораторией материалов для электрохимических процессов химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова Олега Дрожжина.
Как отмечают ученые, литий-ионные аккумуляторы сегодня используются почти повсеместно — от смартфонов до электробусов. При этом именно материал катода во многом определяет, какой будет емкость батареи, ее мощность, срок службы и стоимость.
Одним из самых перспективных катодных материалов считается фосфат лития-марганца. Он безопасен, сравнительно доступен и способен обеспечивать примерно на 20% большую энергоемкость, чем широко применяемый фосфат лития-железа.
Однако у этого материала есть серьезный недостаток: он плохо выдерживает большое число циклов зарядки и разрядки. Проблема в том, что ионы марганца постепенно растворяются с поверхности катода в электролите, из-за чего сам электрод разрушается и теряет способность накапливать заряд.
Чтобы решить эту проблему, химики из МГУ и Сколтеха предложили создать на поверхности частиц фосфата лития-марганца защитную оболочку. Для этого наноразмерные частицы исходного вещества поместили в раствор с ионами железа и обработали его при температуре 150–200 градусов Цельсия под повышенным давлением.
В таких гидротермальных условиях значительная часть ионов марганца у поверхности частиц заместилась более стабильными ионами железа. В результате на поверхности образовалась оболочка толщиной в несколько нанометров, обогащенная железом и устойчивая к разрушению.
Особенно важно, что эта оболочка получилась не резкой, а градиентной. Иными словами, между внутренним «ядром» из исходного материала и внешним стабильным слоем не было четкой границы. По словам исследователей, это критически важно для долговечности, поскольку такое покрытие лучше выдерживает многократные циклы зарядки и разрядки.
Ученые могли управлять толщиной этой оболочки и количеством встроенных ионов железа, меняя температуру, длительность обработки и концентрацию раствора.
Из нового материала исследователи изготовили катод и проверили его работу в лабораторной модели аккумулятора. Испытания показали, что такой катод сохраняет емкость даже после 50 циклов зарядки и разрядки при повышенной температуре.
Для сравнения, обычный фосфат лития-марганца в аналогичных условиях теряет более половины емкости уже за первые несколько циклов. Это означает, что батареи на основе нового композита смогут работать заметно дольше, сохраняя при этом высокую энергоемкость.
По мнению ученых, предложенная технология может быть полезна не только для литий-ионных, но и для перспективных натрий-ионных аккумуляторов.
«В дальнейшем мы планируем использовать эту технологию на других фосфатных и оксидных материалах для литий-ионных и натрий-ионных аккумуляторов, причем в качестве объектов применения мы рассматриваем не только катоды, но и аноды. Комбинируя такие материалы с новыми типами связующего и композитных электролитов, которые разрабатываются сотрудниками химического факультета МГУ, мы надеемся создать основу для совершенно новых образцов металл-ионных аккумуляторов», — отметил Дрожжин.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Applied Surface Science.
