Каркасная структура делает литий-ионные аккумуляторы эффективней и долговечней

Международная группа ученых, в состав которой вошли ученые из Сколковского института науки и технологий, придумали, как изменить кристаллическую структуру катода литий-ионного аккумулятора, чтобы значительно повысить его эффективность и срок службы без ущерба для безопасности. Исследование опубликовано в престижном журнале Nature Materials.

Литий-ионные батареи являются основным источником энергии для современной портативной электроники и используются в большинстве мобильных телефонов, фотоаппаратов и ноутбуков. Литий в таких аккумуляторах является переносчиком заряда: когда батарея заряжается, ионы лития покидают кристаллическую решетку смешанного оксида переходного металла, способного изменять свою степень окисления. В современных аккумуляторах обычно используется слоистый оксид кобальта и лития.

Две основные характеристики литий-ионного аккумулятора — это количество циклов перезарядки и емкость (количество лития, покидающего кристаллическую решетку во время заряда и возвращающегося назад при разряде). Дело в том, что весь литий никогда не уходит из структуры катода (не более 60%), так как, если это произойдет, возрастет вероятность взрыва и возгорания аккумулятора. Число циклов перезарядки тоже не бесконечно, то есть энергия, которую могут в себе содержать заряженные аккумуляторы, со временем уменьшается.

Ученые придумали, как справиться с этими проблемами. Классический катод литий-ионного аккумулятора имеет слоистую структуру, где слои лития перемежаются со слоями кислорода и переходного металла (Рис.1). Когда литий покидает свои позиции, на его место мигрируют ионы переходного металла. За счет того, что его позиции оказываются заняты, литий не может вернуться обратно, и емкость батареи падает. Ученые предложили принципиально иную кристаллическую структуру катодного материала (Рис.2). В новой структуре слои сдвинуты относительно друг друга, вместо слоистой структуры материал приобретает каркасное строение. Оказалось, что такие катоды работают намного стабильнее, энергия практически не теряется и новая структура позволяет извлечь из нее весь литий при зарядке без риска, что произойдет возгорание, то есть емкость батареи будет намного выше. Мобильные телефоны с такими аккумуляторами смогут дольше держать заряд, и аккумулятор прослужит дольше.

В качестве модельного объекта использовалось соединение лития с оксидом иридия. Данный материал дорогой и вряд ли будет массово производиться, поэтому замена иридия на более распростаненные и дешевые металлы является крайне актуальным продолжением этого исследования.

«Раньше считалось, что емкость литий-ионного аккумулятора определяется изменением степени окисления переходного металла, входящего в его состав. В одной из наших прошлых работ мы показали, что кислород также может вносить вклад в емкость аккумуляторов: он ее увеличивает за счет того, что его степень окисления тоже меняется. А в нашей новой работе мы продемонстрировали способ использовать эту емкость в полной мере, не боясь взрывов, возгораний и деградации материалов», — рассказывает профессор Центра Сколтеха по электрохимическому хранению энергии Артем Абакумов.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.