Ученые из Сколтеха изменили кристаллическую структуру катода литий-ионного аккумулятора

Международная группа исследователей, 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.

Как сообщила пресс-служба Сколтеха, исследование ученых опубликовано в журнале Nature Materials, а его результаты может оказаться очень важными для современной электроники, использующей литий-ионные аккумуляторы.

Литий-ионные батареи – это основные источники энергии для современной портативной электроники, которые используются в большинстве мобильных телефонов, фотоаппаратов и ноутбуков. Переносчиками заряда в таких аккумуляторах служат ионы лития: когда батарея разряжается они покидают катод – отрицательный электрод батареи, а когда заряжается, тогда ионы лития заходят в катод обратно. Типичным материалом катода для современных литий-ионных аккумуляторов служит слоистый смешанный оксид кобальта и лития.

Две основные характеристики литий-ионного аккумулятора – это число циклов перезарядки и емкость, то есть количество лития, покидающего кристаллическую решетку смешанного оксида во время заряда и возвращающегося назад при заряде. Обычно из катода уходит не больше 60% ионов лития, а увеличение этой характеристики приводит к опасности взрыва и возгорания аккумулятора, так как после выхода лития атомы кислорода в составе смешанного оксида могут начать взаимодействовать с растворителем, в который погружен катод, а эта реакция сопровождается обильным выделением тепла.

Количество циклов перезарядки аккумулятора тоже сильно ограничено его структурой: когда литий покидает свои позиции в катоде, на его место мигрируют ионы кобальта, в результате части лития уже не может вернуться обратно, а емкость батареи постепенно падает.

В новой работе ученые предложили способ с помощью которого можно справиться с этими проблемами. Классический катод литий-ионного аккумулятора имеет слоистую структуру, где слои лития перемежаются со слоями кислорода и переходного металла (это может быть кобальт или другой металл). Такое строение материала способствует миграции ионов переходного металла и поэтому ученые предложили принципиально иную кристаллическую структуру катодного материала.

В новой структуре слои сдвинуты относительно друг друга, вместо слоистой структуры материал приобретает каркасное строение. Оказалось, что такие катоды работают намного стабильнее: энергия в них практически не теряется с каждым циклом перезарядки, а новая структура позволяет извлекать из катода при зарядке практически весь литий без риска возгорания.

В работе в качестве модельного объекта использовались соединение лития с оксидом иридия - слишком дорогой материал для массового производства. Поэтому в будущем ученые планируют продолжить свои исследования и найти более распространенный и дешевый металл на замену иридия в составе каркасной структуры катодного материала.