Новый анодный материал может привести к более безопасному быстрому производству

Ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружили новый анодный материал, который позволяет безопасно заряжать литий-ионные батареи в течение нескольких минут в течение тысяч циклов. Новый анод, известный как неупорядоченная каменная соль, состоит из богатых землёй атомов лития, ванадия и кислорода, расположенных так же, как и обычная кухонная поваренная соль, но хаотично. Это перспективно для коммерческого применения, где желательны как высокая плотность энергии, так и высокая мощность, например, электромобили, пылесосы или дрели.

Исследование, проведенное совместно наноинженерами из лабораторий профессоров Пин Лю и Шуэ Пин Онг, было опубликовано в журнале Nature 2 сентября.

В настоящее время два материала используются в качестве анодов в большинстве имеющихся на рынке литий-ионных аккумуляторов, которые питают такие устройства, как сотовые телефоны, ноутбуки и электромобили. Самый распространенный из них, графитовый анод, чрезвычайно энергоемкий: литий-ионный аккумулятор с графитовым анодом может обеспечить питание автомобиля на сотни миль без необходимости подзарядки. Однако слишком быстрая перезарядка графитового анода может привести к возгоранию и взрывам из-за процесса, называемого металлическим литием. Более безопасная альтернатива — анод из титаната лития — может заряжаться быстро, но приводит к значительному снижению плотности энергии, что означает, что батарею необходимо заряжать чаще.

Этот новый анод из неупорядоченной каменной соли - Li3V2O5 - занимает важное промежуточное положение: он безопаснее в использовании, чем графит, но при этом обеспечивает батарею как минимум на 71% большей энергии, чем титанат лития.

«Емкость и энергия будут немного ниже, чем у графита, но он быстрее, безопаснее и имеет более длительный срок службы. Он имеет гораздо более низкое напряжение и, следовательно, значительно улучшенную плотность энергии по сравнению с текущими коммерческими литий-титанатными анодами для быстрой зарядки», — сказал Хаодун. Лю, научный сотрудник лаборатории профессора Пин Лю и первый автор статьи. «Таким образом, с помощью этого материала мы можем создавать быстро заряжающиеся, безопасные батареи с длительным сроком службы, не жертвуя при этом слишком большой плотностью энергии».

Кристаллическая структура неупорядоченной каменной соли -Li3V2O5. Красные шарики представляют O, синий тетраэдр представляет Li в тетраэдрических позициях, а зеленый октаэдр представляет общие октаэдрические позиции Li/V.

Исследователи создали компанию Tyfast, чтобы коммерциализировать свое открытие. Первыми рынками стартапа станут электрические автобусы и электроинструменты, поскольку характеристики неупорядоченной каменной соли Li3V2O5 делают ее идеальной для использования в устройствах, подзарядку которых можно легко запланировать.

Исследователи из лаборатории профессора Лю планируют продолжить разработку этого анодного материала из оксида лития и ванадия, а также оптимизировать другие компоненты батареи для разработки коммерчески жизнеспособного полноценного элемента.

«В течение долгого времени сообщество производителей аккумуляторов искало анодный материал, работающий с потенциалом чуть выше графита, чтобы обеспечить безопасную и быструю зарядку литий-ионных батарей. Этот материал заполняет важный пробел в знаниях и приложениях», — сказал Пин Лю. «Мы воодушевлены его коммерческим потенциалом, поскольку этот материал может стать незаменимым решением для современного процесса производства литий-ионных аккумуляторов».

Зачем пробовать этот материал?

Исследователи впервые экспериментировали с неупорядоченной каменной солью в качестве катода батареи шесть лет назад. С тех пор была проделана большая работа по превращению этого материала в эффективный катод. Хаодун Лю сказал, что команда Калифорнийского университета в Сан-Диего решила протестировать этот материал в качестве анода, основываясь на догадках.

«Когда люди используют его в качестве катода, им приходится разряжать материал до 1,5 вольт», — сказал он. «Но когда мы посмотрели на структуру катодного материала при напряжении 1,5 В, мы подумали, что этот материал имеет особую структуру, которая может удерживать больше ионов лития — это означает, что он может работать при еще более низком напряжении, работая в качестве анода».

В ходе исследования команда обнаружила, что их неупорядоченный анод из каменной соли может обратимо зацикливать два иона лития при среднем напряжении 0,6 В — выше, чем 0,1 В графита, устраняя металлическое покрытие лития при высокой скорости зарядки, что делает батарею более безопасной, но напряжение ниже 1,5 В, при котором титанат лития интеркалирует литий и, следовательно, сохраняет гораздо больше энергии.