Ученые из Сколтеха придумали «долгую» батарейку

Ученые придумали, как изменить кристаллическую структуру катода литий-ионной батареи, чтобы значительно повысить ее эффективность и продлить срок службы без ущерба для безопасности. Исследование опубликовано в престижном журнале Nature Materials.

Литий-ионные аккумуляторы повсеместно используются в качестве основного источника энергии для современной портативной техники — ноутбуков, планшетов, мобильных телефонов и фотоаппаратов. Литий является переносчиком заряда: когда батарея заряжается, ионы лития покидают кристаллическую решетку смешанного оксида переходного металла, способного изменять свою степень окисления. В современных батареях используется, как правило, слоистый оксид кобальта и лития.

Две основные характеристики литий-ионного аккумулятора – это количество циклов перезарядки и емкость (количество лития, покидающего кристаллическую решетку во время заряда и возвращающегося назад при разряде). Проблема заключается в том, что весь литий никогда не покидает структуру катода (не более 60%). В противном случае возрастает вероятность взрыва и возгорания батареи. Небесконечно и число циклов перезарядки (энергия, содержащаяся в заряженных аккумуляторах, со временем уменьшается).

Ученые нашли решение этих проблем. Они предложили иное строение кристаллической структуры катодного материала. Классическая литий-ионная батарея имеет слоистое «строение», в котором слои лития перемежаются со слоями кислорода и переходного металла. В то время, когда литий покидает свои позиции, его место занимают ионы переходного металла. Следовательно, вернуться обратно он не может — его место уже занято. В результате падает емкость батареи.

Новая структура аккумулятора предполагает сдвиг слоев относительно друг друга, таким образом, батарея приобретает каркасное строение и работает намного стабильнее: энергия почти не теряется. Это позволяет извлечь из нее весь литий при зарядке. При этом не возникает риска возгорания.

«Раньше считалось, что емкость литий-ионного аккумулятора определяется изменением степени окисления переходного металла, входящего в его состав. В одной из наших прошлых работ мы показали, что кислород также может вносить вклад в емкость аккумуляторов, он ее увеличивает за счет того, что его степень окисления тоже меняется. А в нашей новой работе мы продемонстрировали способ использовать эту емкость в полной мере, не боясь взрывов, возгораний и деградации материалов», — комментирует профессор Центра Сколтеха по электрохимическому хранению энергии Артем Абакумов.

Пока в качестве «концепта» образца ученые использовали соединение лития с оксидом иридия. Но этот вариант дорогой, поэтому массовое его производство неэффективно. Дальнейшая цель специалистов — поиск более оптимальных и дешевых металлов.