Международная исследовательская группа, состоящая из двух ученых Сколтеха, экспериментально продемонстрировала, что давнее объяснение низкой энергоэффективности литий-ионных батарей не работает. Исследователи объяснили это явление медленным переносом электронов между кислородом и атомами переходного металла в катоде, а не самими атомами, которые мигрируют. Исследование было опубликовано в четверг в журнале Nature Chemistry.

Литий-ионные батареи, используемые сегодня в электромобилях и гаджетах, имеют примерно половину емкости, которую могут обеспечить их собратья с катодами из оксида лития. Проблема с последней технологией в том, что она имеет низкую эффективность: на зарядку батареи приходится тратить значительно больше энергии, чем она в конечном итоге обеспечивает. Со временем, особенно для приложений, потребляющих много энергии, эта потеря мощности действительно накапливается, делая этот тип батарей коммерчески нежизнеспособным на данный момент.

Чтобы раскрыть потенциал батарей с оксидными катодами, обогащенными литием, исследователи должны понять механизм их неэффективности и точно определить, куда уходит потерянная энергия. Недавнее исследование в Nature Chemistry предоставляет экспериментальные данные, опровергающие ранее существовавшее объяснение этого явления – технически известного как гистерезис напряжения – и предлагает новую теорию для его объяснения.

Когда литий-ионный аккумулятор заряжается, ионы лития перемещаются между его двумя электродами. Двигаясь к аноду, они оставляют в катоде пустоты. В другой половине цикла ионы лития возвращаются, когда энергия расходуется, например, для питания телефона.

«Тем временем, однако, некоторые из атомов переходных металлов, составляющих катод, могли временно вторгнуться в вакансии, а затем снова отступить, тратя ценную энергию на эти прыжки. По крайней мере, так гласила старая теория гистерезиса напряжения », – сказал соавтор исследования аспирант Сколтеха Анатолий Морозов.

Чтобы проверить это объяснение, исследователи использовали просвечивающий электронный микроскоп в Advanced Imaging Core Facility Сколтеха, чтобы контролировать атомную структуру катода обогащенной литием батареи, изготовленного из материала с формулой Li1.17Ti0.33Fe0.5O2 на разных стадиях. в цикле зарядки-разрядки аккумулятора (см. изображение ниже). Однако не наблюдалось значительной миграции атомов железа или титана в вакансии лития, что позволяет предположить, что какой-то другой процесс откачивал мощность.

«Наши результаты вдохновили команду на поиск источника гистерезиса напряжения в другом месте. Это явление вызывает не обратимая миграция катионов, а скорее обратимый перенос электронов между атомами кислорода и переходных металлов. Когда батарея заряжается, некоторые электроны железа захватываются атомами кислорода. Позже они возвращаются. Этот обратимый перенос потребляет часть энергии, », – пояснил профессор Артем Абакумов, возглавляющий Центр энергетических наук и технологий в Сколтехе.

«Понимание гистерезиса напряжения с точки зрения переноса электронов может иметь непосредственное значение для смягчения этого нежелательного эффекта, чтобы сделать литий-ионные батареи следующего поколения с рекордно высокой плотностью энергии для питания электромобилей и портативной электроники» он продолжил. «Чтобы сделать следующий шаг, химики могли манипулировать барьерами для переноса электронов, изменяя ковалентность катион-анионных связей, руководствуясь периодической таблицей и такими понятиями, как« химическая мягкость »».

«Это демонстрирует возможности современной просвечивающей электронной микроскопии для расшифровки локальных структур чрезвычайной сложности. Это действительно здорово, что молодые исследователи в Сколтехе имеют прямой и легкий доступ к такому сложному оборудованию, как электронные микроскопы с коррекцией аберраций, а также возможности для дальнейшего обучения. Это позволяет нам вносить свой вклад в исследования аккумуляторов на высшем уровне в сотрудничестве с нашими международными коллегами как в академических кругах, так и в промышленности », – добавил Морозов .

Помимо двух химиков Сколтеха, в исследовании, о котором говорится в этой статье, участвовали исследователи из Коллеж де Франс, Университета Монпелье, Сорбонны, Технического университета Мюнхена, Института Поля Шеррера, Университета По и Pays Adour и Réseau sur le Stockage. Electrochimique de l'Energie.

Источник: https://www.skoltech.ru/[19459009visible