Исследователи предсказывают материалы для стабильных литий-ионных батарей с высокой записывающей способностью.

Группа исследователей из Северо-Западного университета нашла способ стабилизировать новые батареи с высокой записывающей способностью. Основанный на катоде из оксида лития-марганца, этот прорыв может продлить срок службы смартфонов и транспортных средств с батарейным питанием более чем в два раза.

«Этот аккумуляторный электрод достиг одной из самых высоких емкостей среди всех электродов на основе оксидов переходных металлов, и в настоящее время он более чем в два раза превышает емкость материала сотового телефона или ноутбука», - сказал Джером Б. Кристофер Вулфтон. Профессор Коэн из отдела материаловедения и инженерии Северо-западной инженерной школы Маккормика, ответственный за исследование, сказал: «Такая высокая емкость станет огромным шагом вперед в разработке литий-ионных аккумуляторов для электромобилей».

Исследование было опубликовано в Интернете 14 мая на сайте Science Advances.

Литий-ионные батареи работают, перемещая ионы лития между анодом и катодом. Катод изготовлен из соединения, содержащего ионы лития, переходный металл и кислород. Переходный металл (обычно кобальт) эффективно накапливает и высвобождает электрическую энергию при движении от анода к катоду и обратно. В этом случае емкость катода ограничивается количеством электронов переходного металла, участвующих в реакции.

Французская исследовательская группа впервые сообщила о соединениях оксида лития-марганца большой емкости в 2016 году. Заменив традиционный кобальт более дешевым марганцем, команда разработала более дешевый электрод, емкость которого увеличилась более чем в два раза. Но это не без проблем. В течение первых двух циклов производительность батареи значительно упала, и исследователи не сочли ее коммерчески выгодной. Они также не полностью понимают большие объемы или деградированные химические источники.

После подробного описания атомной карты катодного атома команда Вулфтона обнаружила причину высокой емкости материала: он заставляет кислород участвовать в процессе реакции. Помимо переходных металлов, батарея имеет более высокую способность накапливать и использовать литий за счет использования кислорода для хранения и выделения электрической энергии.

Затем команда Northwest обратила свое внимание на стабилизацию батареи, чтобы предотвратить ее быстрое разрушение.

«Зная процесс зарядки, мы используем высокопроизводительные вычисления для сканирования периодической таблицы элементов и находим новые способы синтеза этого соединения с другими элементами, которые улучшают характеристики аккумулятора», - говорит Чжэньпэн Яо, первый автор статьи. и бывший врач, студенты Wolfton Labs.

Расчет выявил два элемента: хром и ванадий. Команда предсказывает, что смешивание элементов с оксидом лития-марганца приведет к стабильному соединению, которое будет поддерживать высокую емкость катода, как никогда раньше. Затем Вулфтон и его сотрудники проведут экспериментальные испытания этих теоретических соединений в лаборатории.

Исследование было поддержано Центром электрохимических энергетических наук, DE-AC02-06CH11357 Energy Frontier Research Center, финансируемым Департаментом фундаментальных энергетических наук Научного офиса Министерства энергетики США. Яо, научный сотрудник Гарвардского университета, и СуКим, научный сотрудник Массачусетского технологического института, являются бывшими сотрудниками лаборатории Вулфтона и первым автором статьи.

Страница содержит содержимое машинного перевода.