Создана новая технология достижения сверхвысокой мощности и плотности литий-ионных батарей

В последние годы литиевые батареи стали широко использоваться для использования в широком спектре электронных устройств, включая планшеты, смартфоны и портативные компьютеры. Эти батареи имеют разные отсеки, называемые элементами, каждый из которых содержит положительный электрод и отрицательный электрод, разделенные химическим веществом, известным как электролит.

Положительные электроды обычно состоят из соединений лития, таких как LiCoO2 или LiFePO4, тогда как отрицательные электроды обычно изготавливаются из углерода. С другой стороны, электролит, разделяющий их, может быть изготовлен из различных химических веществ.

В свете быстрого роста использования литий-ионных батарей исследователи во всем мире пытаются найти материалы, которые могли бы повысить их эффективность и производительность. В идеале эти материалы должны содержать элементы, которые имеются в изобилии на планете и имеют высокую плотность энергии.

Исследователи из Калифорнийского университета и Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли недавно представили новую технологию разработки электродных материалов для литиевых батарей с удивительно высокой мощностью и плотностью энергии. Эта технология, изложенная в статье, опубликованной в Nature Energy, предполагает использование двух объемных оксифторидов с частичным шпинелеподобным порядком, а именно Li1.68Mn1.6O3.7F0.3 и Li1.68Mn1.6O3.4F0.6. Исследователи синтезировали эти два оксифторида, используя технику, известную как механохимическое легирование.

“Мы выяснили, что сочетание созданного вещества и существенного избытка лития обеспечивает как плотное, так и быстрое накопление энергии”, – пишут исследователи в своей статье. – “Созданная комбинация используются для устранения фазовых переходов, типичных для упорядоченных шпинелей и обеспечения большей практической емкости, тогда как избыток лития синергетически используется с замещением фтором для создания высокой подвижности лития”.

Подход к проектированию катодных материалов, предложенный исследователями, оказался весьма перспективным. В серии предварительных экспериментов полученные катоды достигли замечательных результатов энергоемкости – свыше 1100 Вт/ч, что является одним из самых высоких из зарегистрированных на сегодняшний день. Более того, большая часть этой емкости сохранялась со временем, даже когда батареи заряжались несколько раз.

Интересно, что почти половина емкости была получена в результате процесса, известного как окислительно-восстановительная реакция (то есть восстановление окисления). Хотя это явление широко исследовалось в слоистых оксидах Ni-Mn-Co с высоким содержанием лития или в неупорядоченных каменных солях, оно редко наблюдается в катодах типа шпинели, таких как были синтезированы исследователями.

В своих экспериментах исследователи также смогли оптимизировать катионную оверстохометрию и избыток Li, два химических характеристики, которые могут помочь настроить структуру материалов электродов. Это позволило им достичь ряда желаемых катодных характеристик, таких как быстрая кинетика переноса лития и отличные показатели напряжения.

В будущем стратегия проектирования могла бы служить ориентиром для реализации катодных материалов для литиевых батарей с высокой плотностью мощности и энергии. Кроме того, два оксифторида, синтезированные в их исследовании, могут быть использованы для создания новых высокоэффективных батарей.