Международная группа ученых, в состав которой вошли ученые из Сколтеха, придумали как изменить кристаллическую структуру катода литий-ионного аккумулятора, чтобы значительно повысить его эффективность и срок службы без ущерба для безопасности. Полученные результаты очень важны для развития современной электроники, где принципиально важны как энергоемкость, так и безопасность аккумуляторов. 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 (т.е. количество лития покидающего кристаллическую решетку во время заряда и возврашаюшегося назад при разряде). Дело в том, что весь литий никогда не уходит из структуры катода (не более 60 процентов), так как, если это произойдет, то возрастает вероятность взрыва и возгорания аккумулятора. Число циклов перезарядки тоже не бесконечно, т.е. энергия, которую могут в себе содержать заряженные аккумуляторы со временем уменьшается.

Рисунок 1. Кристаллическая структура слоистого ...

Рисунок 1. Кристаллическая структура слоистого катодного материала LiCoO2.

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). Природа не терпит пустоты, поэтому 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.

Рисунок 2. Кристаллическая структура каркасного...

Рисунок 2. Кристаллическая структура каркасного катодного материала β-Li2IrO3

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.