Как увеличить энергию батареи в 8 раз: секреты саратовских ученых

Литий-ионные аккумуляторы — тип перезаряжаемых батарей, которые широко используются в различных электронных устройствах, таких как смартфоны, ноутбуки, электромобили и др. Они имеют ряд преимуществ перед другими видами батарей, таких как высокая энергетическая плотность, длительный срок службы и низкий уровень саморазряда. Однако им также присущи некоторые недостатки, такие как высокая стоимость, чувствительность к перегреву и взрывоопасность.


Одним из способов повышения эффективности литий-ионных аккумуляторов может стать улучшение свойств материалов, используемых для изготовления электродов батареи, между которыми происходит химическая реакция с участием ионов лития. При зарядке ионы лития накапливаются на отрицательном электроде (аноде), а при разрядке — покидают его и перемещаются к положительному электроду (катоду). Чем больше ионов лития может вместить электрод, тем больше энергии может накопить и отдать батарея.

Один из перспективных материалов для катода — ванадат кобальта-лития (LiCoVO4), который имеет более высокое напряжение и теоретическую удельную емкость, чем традиционные материалы, такие как литий-кобальт-оксид (LiCoO2). Однако экспериментальная емкость LiCoVO4 значительно ниже теоретической, что связано с ограниченным взаимодействием ионов лития с кристаллической структурой материала.

Ученые из Саратовского национального исследовательского государственного университета провели исследование, в котором изучили структурные и электрохимические особенности LiCoVO4, полученного методом твердофазного синтеза с предварительной механической активацией смеси исходных веществ. Они обнаружили, что LiCoVO4 имеет сложную кристаллическую структуру, состоящую из двух фаз: ортогональной и моноклинной. При этом ортогональная фаза способствует интеркаляции (внедрению) ионов лития, а моноклинная фаза — деинтеркаляции (извлечению) ионов лития. Таким образом, существует конкуренция между двумя фазами, которая препятствует полному использованию емкости материала.

Ученые также измерили коэффициент диффузии ионов лития в LiCoVO4 и обнаружили, что он зависит от степени заряда/разряда материала. При высоких степенях коэффициент диффузии уменьшается, что свидетельствует о замедлении процесса интеркаляции/деинтеркаляции. Кроме того, ученые выявили повышение омического сопротивления на границе электродный материал/электролит, которое также негативно влияет на емкость материала.

Исследование позволило установить причины ограничения энергоемкости LiCoVO4 и предложить возможные пути для их устранения. Например, можно изменить условия синтеза материала, чтобы увеличить долю ортогональной фазы, которая более благоприятна для интеркаляции ионов лития. Также можно добавить дополнительные элементы, которые могут улучшить электропроводность и стабилизировать структуру материала. Или можно использовать другие типы электролитов, которые могут снизить омическое сопротивление на границе электродный материал/электролит.

Результаты работы саратовских исследователей были опубликованы в международном журнале Electrochimica Acta под названием «High-voltage cathode material for lithium-ion battery based on LiCoVO4: Development and investigation». Авторами статьи являются Кирилл Рыбаков и Арсений Ушаков из Саратовского национального исследовательского государственного университета.