Ученые раскрыли сложную структуру дефектов в катодном материале для литий-ионных аккумуляторов

Ученые Сколтеха исследовали гидроксильные дефекты катодного материала LiFePO₄, который широко используется в коммерческих литий-ионных аккумуляторах. Проведенное исследование не только помогает лучше понять химические особенности этого материала, но и позволяет усовершенствовать процесс изготовления LiFePO₄ с целью предотвращения появления внутренних структурных дефектов, неблагоприятно сказывающихся на характеристиках материала.

Литий-фосфат железа LiFePO₄ − безопасный, стабильный и экономичный катодный материал для литий-ионных аккумуляторов, который, несмотря на его низкую проводимость и невысокую плотность энергии, был успешно оптимизирован под практические применения. Тем не менее, ученые продолжают активно исследовать его свойства, в частности влияние структурных дефектов на электрохимические характеристики материала.

«Хорошо известно, что у материалов LiFePO₄, как правило, существует значительное количество антиструктурных точечных дефектов Li/Fe, возникающих при изменении положения атомов Li и Fe в кристаллической решетке. Однако до нас никто не высказывал предположений о том, что в этом материале дефекты могут активно развиваться и в области РО₄. Мы установили, что в отдельных случаях анион PO₄ может замещаться четырьмя или пятью группами OH, что негативно сказывается на электрохимических характеристиках аккумуляторов с катодами из LiFePO₄. Такие дефекты называют ОН-дефектами, или иначе гидроксильными дефектами гидрогранатного типа», − поясняет первый автор статьи, старший научный сотрудник Сколтеха Дмитрий Аксёнов.

Сотрудники Центра энергетических технологий Сколтеха (CEST) старший научный сотрудник Дмитрий Аксёнов, профессор Станислав Федотов и профессор Артем Абакумов и их коллеги исследовали гидроксильные дефекты в LiFePO₄, применив комбинированный вычислительно-экспериментальный подход, сочетающий в себе расчеты методами теории функционала плотности и дифракцию нейтронов. Исследователям удалось также подтвердить полученные результаты в эксперименте на образце LiFePO₄.

«Дефекты OH – феномен, хорошо известный в геологии, однако в материаловедении он не так глубоко исследован. Наличие ОН-дефектов в LiFePO4 можно было бы предвидеть и раньше, если бы удалось провести параллель с его структурными аналогами в группе минералов оливина. Поэтому главный вывод из нашей работы заключается в том, что искать новые знания следует не только в своей области, но и в других областях», − отмечает Дмитрий Аксенов.

Обнаружить ОН-дефекты не так просто, и их появление вполне возможно в коммерческих материалах LiFePO₄, поэтому важно уметь контролировать влияние этих дефектов на качество материала, считает Аксенов.

«На первый взгляд, самым простым практическим выводом из этого исследования должны стать попытки изменить процесс синтеза материала таким образом, чтобы полностью исключить вероятность появления гидроксильных дефектов в материалах LiFePO₄. Однако, как показывает опыт, целесообразнее все-таки постараться «приручить» дефекты, обернув в нашу пользу, нежели пытаться от них избавиться. Так что у данной работы явно ожидается продолжение», − добавляет Станислав Федотов.