Российские учёные улучшили литий-ионные аккумуляторы

Исследователи из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН разработали новый материал для литий-ионных аккумуляторов на основе наноразмерного литий-марганцевого оксида. Он позволит сделать батареи более ёмкими и значительно увеличить скорость заряда. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Materials.

На сегодняшний день литий-ионные аккумуляторы являются самыми распространенными, они используются во множестве устройств — от мобильных телефонов до электромобилей — и всё время совершенствуются.

Однако, несмотря на все свои преимущества, кобальтат лития, служащий в течение многих лет основным катодным материалом для таких батарей, имеет и отрицательные стороны. Во-первых, кобальт-содержащее сырье сосредоточено преимущественно в руках одной компании, поэтому стоимость его довольно высокая. Кроме того, этот материал имеет не слишком высокую практическую энергоемкость и термически неустойчив, то есть не выдерживает работы при больших скоростях заряда-разряда, когда прикладываются большие токи. Это исключает его применение в крупногабаритных аккумуляторах — например, для набирающих сегодня популярность электромобилей.

Основная задача состоит в том, чтобы увеличить удельную плотность энергии (эта величина равна произведению рабочего напряжения на удельную ёмкость катодного материала). Необходимо получить такие материалы, которые будут обладать обоими этими качествами.

Чтобы понять, что сделали новосибирские ученые, нужно вспомнить, из чего состоит аккумулятор. В нем есть два электрода. Первый из них — катод — должен иметь в своем составе ионы d-металлов, которые способны легко менять степень окисления. В качестве второго — анода — чаще всего используется углеродный материал типа графита. Оба эти электрода обладают способностью обратимо внедрять в свою структуру и экстрагировать ионы лития. Но последние заряжены положительно. Если они уходят из вещества, то, по закону электронейтральности, ионы d-металла должны окисляться: из одного- в двухвалентные, из двух- в трех- и т. д.

«Раньше исследовали материалы, из которых можно было экстрагировать только один ион лития на формульную единицу, при этом заряд иона d-металла увеличивался также на единицу — то есть происходил одноэлектронный процесс, что определяло достаточно небольшую ёмкость аккумулятора. В дальнейшем стало понятно: необходимо найти такие материалы, из структуры которых можно было  бы экстрагировать два или три иона лития, а для этого нужно подбирать d-металлы, способные к многоэлектронному процессу окисления-восстановления», — рассказывает старший научный сотрудник ИХТТМ СО РАН кандидат химических наук Нина Васильевна Косова.

Оказалось, что в качестве таких металлов можно использовать никель, ванадий, марганец. Если соединения первых двух считаются ядовитыми, то последний оказался экологически безопасным.

«Наша статья посвящена новому электродному материалу на основе литий-марганцевого оксида, в котором может быть реализован процесс экстракции-внедрения нескольких ионов лития из структуры и окисления-восстановления ионов марганца не на одну единицу, а на две, причем при высоком напряжении. В результате получилось и повысить напряжение, и увеличить ёмкость», — сообщает исследовательница.

Как правило, для синтеза электродных материалов применяют две группы методов: твердо- и жидкофазные. Первые для промышленности более просты. Сибирские ученые воспользовались твердофазным механохимическим синтезом, который в последнее время широко используется для создания новых функциональных материалов и в котором ИХТТМ СО РАН занимает лидирующие позиции в России и в мире.

«Началось всё с того, что на одной из международных конференций ко мне подошел сотрудник крупной французской компании SAFT, одного из мировых лидеров по производству материалов для литий-ионных аккумуляторов, и предложил попробовать синтезировать ряд новых композиций с помощью метода механической активации, — рассказывает Нина Косова. — В рамках НИР нами было исследовано множество систем и, наконец, получено новое соединение с уникальными электрохимическими свойствами».

SAFT опубликовала три патента — французский, европейский и мировой. А затем, чтобы более полно изучить полученный материал, компания привлекала французских ученых из Университета Кан Нижняя Нормандия, которые воспроизвели полученные результаты на своих мельницах (менее энергонапряженных, что потребовало увеличения времени механической обработки от нескольких минут до нескольких часов) и получили соединение с такими же свойствами.

«Мы показали, что ионы марганца могут участвовать в двухэлектронном окислительно-восстановительном процессе параллельно с ионами кислорода, причем при высоком напряжении, — отмечает исследовательница. — С помощью механохимии нужное соединение удалось синтезировать, во-первых, при комнатной температуре, без всякого нагрева, а во-вторых — в наноразмерном состоянии, и никакой деградации при его циклировании не происходило (хотя еще 15 лет назад считалось, что в литий-ионных аккумуляторах наноматериалы никогда не будут работать)».

Преимущество последних заключается в том, что они, с одной стороны, во много раз увеличивают площадь контакта с электролитом и значительно повышают скорость заряда-разряда аккумулятора. А с другой — позволяют задействовать в этом процессе весь объем частицы (когда она крупная, то внутренняя ее часть, как правило, не работает из-за диффузионных затруднений, то есть становится балластом и только увеличивает массу электрода).

Сибирские ученые планируют продолжать сотрудничество с коллегами из французского университета в этом направлении и уже подали заявку на грант. Однако перед ними встает финансовая проблема.

«Исследования в области литий-ионных аккумуляторов чрезвычайно наукоемкие. Мы используем около 15 современных физико-химических методов исследования, центры коллективного пользования, в том числе зарубежные, привлекаем ученых из разных институтов СО РАН и ДвО РАН. Как методы, так и материалы, необходимые нам для синтеза, являются очень дорогостоящими. Также в чрезвычайно быстро развивающейся области литий-ионных аккумуляторов необходимой частью работы становится участие в международных конференциях, что тоже требует соответствующего финансирования, — рассказывает Нина Косова. — Наши публикации востребованы. Они хорошо цитируются. Студенты и аспиранты побеждают во многих научных конкурсах. Так, месяц назад статья, опубликованная в Journal of Materials Chemistry A, выиграла в конкурсе им. А.Н. Фрумкина в МГУ. Удивительно при этом, что наша группа, имеющая максимальное число публикаций по литий-ионным аккумуляторам (причем в высокорейтинговых международных изданиях) в России, известная своими работами как в нашей стране, так и за рубежом, не может найти необходимой финансовой поддержки для продолжения своих исследований».

Диана Хомякова

Кстати, а вы знали, что на «Сделано у нас» статьи публикуют посетители, такие же как и вы? И никакой премодерации, согласований и разрешений! Любой может добавить новость. А лучшие попадут в телеграмм @sdelanounas_ru. Подробнее о том как работает наш сайт здесь👈