Ученые разработали инновационный метод укрепления фосфата лития-марганца — перспективного, но нестабильного материала для литий-ионных батарей. Исследователи создали на поверхности его частиц градиентную защитную оболочку с ионами железа. Это покрытие блокирует вредные химические реакции, разрушающие электроды (элементы, накапливающие заряд), и повысило допустимое число циклов зарядки-разрядки в десять раз! Технология обещает продлить срок службы популярных литий-ионных и новых натрий-ионных аккумуляторов. Работа поддержана грантом Российского научного фонда (РНФ).
Литий-ионные аккумуляторы питают множество устройств — от смартфонов до электробусов. При зарядке ионы лития перемещаются из катода (отрицательный элемент) через электролит, внедряясь в анод (положительный элемент). Разрядка запускает обратный процесс, создавая ток. Материал катода критически влияет на емкость, мощность, долговечность и цену батареи. Фосфат лития-марганца — один из самых перспективных материалов: доступный, безопасный, на 20% более энергоемкий, чем распространенный фосфат лития-железа. Однако он быстро деградирует при циклировании: ионы марганца растворяются в электролите, разрушая катод и снижая его емкость. Ученые активно ищут способы защиты этого материала.
Химики Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) и Сколтеха (Москва) открыли способ формирования защитного слоя на катодах из фосфата лития-марганца.
Наночастицы материала погрузили в раствор с ионами железа. Смесь нагрели до 150-200 градусов Цельсия под высоким давлением (гидротермальные условия). При этом большая часть ионов марганца на поверхности заместилась стабильными ионами железа. Образовалась защитная оболочка толщиной в несколько нанометров из стабильного, обогащенного железом фосфата. Покрытие получилось градиентным — без резкого перехода между нестабильным "ядром" и стабильной "оболочкой", что обеспечивает его устойчивость при многократных циклах. Температура, время обработки и концентрация раствора позволяют точно регулировать толщину покрытия и количество железа.
"Мы создали наночастицы со структурой "ядро-оболочка": ядро — исходный фосфат лития-марганца, оболочка — твердый раствор его с фосфатом лития-железа. Это пример реализации нашего универсального подхода для разных задач. Технология проста, не требует сложного оборудования и легко масштабируется для промышленности", — пояснил руководитель проекта по гранту РНФ Олег Дрожжин, к.х.н., заведующий лабораторией материалов для электрохимических процессов химфака МГУ имени М.В. Ломоносова.
Изобретенный материал использовали для создания катода и испытали в лабораторной модели батареи. Тесты показали: новый материал сохраняет емкость даже после 50 циклов зарядки-разрядки при высоких температурах. Обычный фосфат лития-марганца теряет более половины емкости за первые же циклы. Это значит, что аккумуляторы на основе нового композита прослужат гораздо дольше без потери мощности.
"В будущем мы применим технологию к другим фосфатным и оксидным материалам для литий-ионных и натрий-ионных аккумуляторов, включая аноды. Комбинируя их с новыми связующими и композитными электролитами, разрабатываемыми в МГУ, мы надеемся заложить основу для совершенно новых металл-ионных батарей", — резюмировал Олег Дрожжин.
Ранее исследователи установили, что оптимизация состава и концентрации электролитов может повысить емкость литий-ионных аккумуляторов в 1,5 раза.
Источник: indicator.ru
