Ученые Сколтеха вместе с зарубежными коллегами в составе международной группы предложили новый взгляд на проблему низкой эффективности литий-ионных аккумуляторов. Специалисты пришли к выводу, что проблема кроется в медленном переносе электронов между атомами кислорода и переходных металлов в кристаллической структуре катода.
Литий-ионные аккумуляторы активно используются в портативной электронике и автомобилях, однако у них есть существенный недостаток — низкая энергоэффективность. Для зарядки таких батарей требуется значительно большее напряжение, чем они могут обеспечить. Это приводит к заметной потере энергии и росту экономических издержек конечного потребителя.Чтобы преодолеть этот неприятный эффект, нужно понять его причину. Ранее проблему объясняли миграцией атомов внутри структуры в процессе заряда/разряда. Авторы новой работы обосновывают несостоятельность этой теории и предлагают свое объяснение.
При работе литий-ионной батареи ионы лития перемещаются между двумя ее электродами. Во время заряда они мигрируют на анод, оставляя «вакансии» в кристаллической структуре катода, а в процессе разряда ионы возвращаются на свои места на катоде, обеспечивая током подключенное устройство.
«Но параллельно в процессе заряда батареи часть атомов переходных металлов в катоде мигрирует в освободившиеся вакансии лития, а затем возвращается назад на разряде. На это перемещение туда-обратно и расходуется часть полезной энергии — так объясняли гистерезис раньше», — рассказал соавтор работы, аспирант Сколтеха Анатолий Морозов.
Для проверки гипотезы ученые проследили за положением атомов переходных металлов в структуре литий-обогащенного катодного материала Li1.17Ti0.33Fe0.5O2 на разных этапах работы аккумулятора. Визуализацию его атомной структуры обеспечили при помощи просвечивающего электронного микроскопа Центра коллективного пользования «Визуализация высокого разрешения» Сколтеха.
Выяснилось, что при работе батареи значимой миграции атомов железа или титана в структуре катодного материала не происходит. Значит, энергия расходуется каким-то иным внутренним процессом.
«Наши наблюдения подтолкнули команду взглянуть на гистерезис напряжения иначе и объяснить эффект гистерезиса напряжения не обратимой миграцией катионов, а обратимым переносом электронов между атомами кислорода и переходных металлов. В процессе заряда батареи некоторые электроны железа захватываются атомами кислорода, затем они возвращаются на место при разряде. На этот обратимый процесс и уходит часть энергии», — объяснил профессор Артём Абакумов, директор Центра энергетических наук и технологий Сколтеха.
По словам ученого, понимая природу процесса, можно сгладить эффект и получить новое поколение литий-ионных батарей с рекордно высокой удельной энергоемкостью. В дальнейшем такие батареи можно использовать как в электроавтомобилях, так и в бытовой электронике.
«Наша работа демонстрирует потенциал продвинутых методов просвечивающей электронной микроскопии для визуализации и расшифровки локальной кристаллической структуры материалов высокой сложности», — добавил Анатолий Морозов.
В исследовании приняли участие специалисты из Коллеж де Франс, Университета Монпелье, Сорбонны, Мюнхенского технического университета, Института Пауля Шеррера, Университета По и Адурской области, а также Сети по электрохимическому хранению энергии.
Вам может быть интересно
10 августа
В Новосибирске состоится IX Международный форум технологического развития «Технопром-2022»
8 августа
Победитель «Лидеров России» предлагает создать команду ученых для интенсивного импортозамещения в химической промышленности
5 августа
Экскурсии «Наука рядом»: в июле школьники узнали, как создают вакцины, увидели строительство судов и сыграли роботами в лазертаг