PrimaMedia, 15 июня. Специалисты Дальневосточного федерального университета совместно с коллегами из российских и зарубежных научных организаций обнаружили способ кардинально усовершенствовать литий-ионные батареи, применяемые в смартфонах, ноутбуках и электротранспорте. Они сумели вдвое нарастить емкость катодного материала, полностью сохранив его ресурс после многочисленных циклов заряда-разряда. Это значит, что аккумуляторы следующего поколения смогут работать без подзарядки в два раза дольше и при этом не будут подвержены быстрому износу.
Ключевая трудность нынешних батарей связана с катодом — положительным электродом, который напрямую определяет, сколько энергии способен накопить аккумулятор. Один из наиболее многообещающих катодных материалов — фосфат ванадия лития. Он обладает высокой теоретической емкостью и безопасен в эксплуатации, однако имеет существенный минус: крайне низкую электропроводность. По этой причине батареи на его основе не могут быстро отдавать энергию и стремительно теряют емкость уже через несколько десятков рабочих циклов.
Чтобы справиться с этой задачей, ученые синтезировали материал с углеродным покрытием, применив в качестве источника углерода обычную лимонную кислоту. Весь процесс похож на выпекание: исходную смесь прогревали в печи в аргоновой среде при температурах от 700 до 1000°C и с разной долей углеродной добавки. Сам метод носит название золь-гель синтеза, он дает возможность получать однородный материал с частицами нанометровых размеров.
Наилучшие показатели продемонстрировал образец, прошедший термообработку при 900°C, в который добавили лимонной кислоты ровно столько же, сколько и солей. Его удельная емкость достигла 114 мА·ч/г — это вдвое превышает показатели образцов с меньшей долей 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 прогреве до 900°C кристаллическая структура материала приобретает идеальную упорядоченность, а углерод формирует тонкий защитный слой вокруг каждой частицы. Этот слой решает сразу две ключевые задачи: обеспечивает превосходную электропроводность и параллельно предохраняет материал от агрессивной среды электролита. В итоге ионы лития беспрепятственно проходят внутрь материала, электроны быстро перемещаются по углеродной сетке, а сам катод не разрушается с течением времени. При сниженных температурах кристаллы формируются дефектными, а при избыточном нагреве частицы спекаются, что критически уменьшает полезную поверхность. При нехватке углерода защитная оболочка выходит несплошной, и материал подвергается быстрому окислению.
Фосфат ванадия лития известен науке уже давно, но его плохая проводимость продолжительное время не позволяла применять его в серийных батареях. Теперь ученые отыскали простой и экономичный метод устранения этой проблемы — достаточно лишь подобрать корректную температуру и точную дозировку лимонной кислоты. Технология легко адаптируется для массового выпуска, не требуя сложного оборудования или дорогостоящих компонентов. Это открывает перспективу того, что уже в скором времени изготовители аккумуляторов смогут наладить выпуск батарей, способных вдвое дольше работать без подзарядки и при этом служить годами, не теряя емкости. Подобные накопители энергии востребованы повсеместно: от смартфонов и ноутбуков до электромобилей и систем хранения энергии от солнечных панелей.
В исследовании участвовали специалисты 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.
