Ученые Сколтеха разработали и запатентовали катодный материал с высокой стабильностью и быстрый способ его получения. Благодаря новому материалу литий-ионный аккумулятор сможет работать примерно на 10 процентов дольше.
Схема синтеза прекурсоров с модифицированной поверхностью / © Improving electrochemical performance of Ni-rich layered cathode material with combining co-enriched compositional gradient and radial microstructure
Группа исследователей из Центра энергетических технологий Сколтеха под руководством заслуженного профессора и директора центра Артема Абакумова получила патент на высокоемкие катодные материалы для литий-ионных аккумуляторов на основе слоистых оксидов переходных металлов с повышенным содержанием никеля, а также на новый способ их получения, основанный на гидротермальной обработке с использованием микроволнового излучения. Такой способ производства является более быстрым и дешевым, а сам катодный материал прослужит примерно на 10 процентов дольше, чем доступные на рынке аналоги. Технология поможет более эффективно решить задачи по развитию электрического автомобильного транспорта в России. Результаты работы опубликованы в статье в Journal of Power Sources.
«Мы используем гидротермальную микроволновую обработку для того, чтобы покрыть поверхность сферических частиц прекурсора катодного материала тонким слоем гидроксида кобальта. Впоследствии, при его высокотемпературном литировании, происходит образование градиента концентрации в приповерхностном слое и формирование уникальной морфологии — первичные частицы расположены в агломерате радиально, а не случайно, как в случае с другими доступными на рынке материалами», — отметила соавтор патента и статьи Александра Савина, старший научный сотрудник Центра энергетических технологий Сколтеха.
На первом этапе исследователи получили гидроксидный прекурсор (вещество, участвующее в реакции, приводящей к образованию другого вещества), где на атомном уровне смешаны катионы никеля, марганца и кобальта. Затем его суспензию с водным раствором мочевины и источника кобальта поместили в гидротермальный микроволновый реактор, где он обрабатывался примерно 15 минут. После этого получили прекурсор, поверхность которого покрыта равномерной кобальт-обогащенной оболочкой. На стадии высокотемпературного литирования прекурсор смешивается с источником лития и подвергается термообработке при высоких температурах. Сейчас на рынке вместо этапа микроволновой обработки в основном используется метод соосаждения, который занимает более 12 часов.
«Образование градиента концентрации в совокупности с уникальной морфологией дает несколько преимуществ — это стабильная работа материала и его высокая емкость при разной скорости циклирования. Благодаря нашему материалу, литий-ионный аккумулятор сможет работать примерно на 10 процентов дольше. Кроме этого, мы используем дешевые реактивы — карбамид (мочевину)», — добавила Александра Савина.
Разработка передовых технологий накопителей энергии — одна из ключевых научно-технологических задач в России. Ранее Правительство России утвердило дорожную карту развития «Технологии создания систем накопления электроэнергии, включая портативные» и Концепцию по развитию производства и использования электрического автомобильного транспорта в России на период до 2030 года, которые направлены на ускорение технологического развития и достижение Россией лидирующих позиций в мире по этому направлению. Научный коллектив Сколтеха и созданные в институте стартапы уже несколько лет проводят активную работу по решению поставленных задач в рамках дорожной карты.
«Сегодня Сколтех является самым крупным держателем пакета интеллектуальной собственности в области оксидных катодных материалов, которые будут составлять основу производства накопителей энергии в Российской Федерации. Наш центр активно разрабатывает как новые катодные материалы, так и более эффективные технологии их промышленного получения. Основную долю стоимости в электромобиле составляет аккумулятор, а основную долю стоимости аккумулятора составляет катодный материал. Поэтому удешевление производства катодного материала даже на 10 процентов при сохранении его емкостных и мощностных характеристик — это значимый показатель, который обеспечивает конкурентоспособность на рынке», — отметил Артем Абакумов.
Авторы отмечают, что в рамках дорожной карты поставлена задача выпуска ячеек с максимальной энергоемкостью 260 ватт в час на килограмм (Втч/кг), однако уже сейчас коллектив выпускает прототипы ячеек с удельной энергоемкостью больше 250 Втч/кг, а при переходе на материал нового поколения этот показатель можно повысить до 300 Втч/кг. Кроме этого, уже в этом году исследователи Сколтеха ожидают запуск в работу первой в России проходной роликовой печи для высокотемпературного литирования прекурсора производительностью до 85 тонн в год.
В центре уже приступили к строительству новой установки по производству прекурсора производительностью 20 тонн в год, которая будет полностью автоматизирована на всех стадиях технологического процесса. Исходные данные для нового проекта были получены в процессе эксплуатации пилотной установки до 10 тонн прекурсора в год, собранной на основе российских комплектующих. Реализация этих проектов происходит с привлечением компетенций сколтеховского стартапа «Рустор», имеющего статус малой технологической компании. С помощью создаваемой производственной линии «Рустор» планирует вывести на рынок новые высоконикелевые катодные материалы для применения в сфере электромобильности, а также материалы, созданные с учетом специфики применения в беспилотных летательных аппаратах.
Исследование поддержано грантом РНФ. Среди его соавторов — двое молодых ученых: Люция Ситникова, аспирантка Сколтеха по программе «Науки о материалах», и Екатерина Должикова, магистрантка Сколтеха по программе «Материаловедение» и выпускница первого потока совместного бакалавриата Сколтеха и РХТУ имени Д. И. Менделеева по программе «Материалы для генерации, преобразования и хранения энергии». Екатерина начала работу над усовершенствованным катодным материалом еще в рамках подготовки своей выпускной работы на бакалавриате.
«На втором году обучения мы начали работать с катодными материалами со структурой ядро-оболочка. Мне очень понравилась эта тема, поэтому у меня не возникло сомнения, где продолжать учебу. Эта программа и научная группа дали мне многое: невероятные знания, патент, совместную статью в высокорейтинговом журнале, карьерный рост. Я научилась работать с оборудованием, реактивами, лучшими микроскопами. Хотелось бы посвящать этому еще больше времени», — отметила Екатерина.
