Южнокорейские ученые из Пхоханского университета науки и технологий (POSTECH) совершили прорыв в области технологий литий-ионных аккумуляторов, разработав принципиально новую технологию, направленную на повышение стабильности слоистых оксидов, обогащенных литием (LLO). Этот материал рассматривается как перспективная основа для катодов следующего поколения в литий-ионных батареях. Результаты их работы, демонстрирующие значительное продление срока службы аккумуляторов, были опубликованы на страницах авторитетного научного издания Energy & Environmental Science.
В современном мире литий-ионные аккумуляторы играют ключевую роль, обеспечивая работу как электротранспорта, так и стационарных систем аккумулирования энергии. Слоистые оксиды, богатые литием (LLO), привлекли внимание ученых благодаря потенциалу увеличения плотности энергии на внушительные 20% по сравнению с традиционными катодными материалами на основе никеля. Такое преимущество достигается за счет оптимизации состава катода: снижения доли никеля и кобальта и одновременного увеличения содержания лития и марганца. Это делает LLO не только более эффективным, но и потенциально более экономичным и экологичным решением. Однако, несмотря на явные преимущества, широкое коммерческое внедрение LLO сдерживается такими проблемами, как постепенная потеря емкости и снижение рабочего напряжения в процессе многократных циклов заряда-разряда.
Предыдущие исследования выявили, что основной причиной этих негативных эффектов являются структурные изменения, происходящие в катодном материале во время работы аккумулятора. Тем не менее, конкретные механизмы, лежащие в основе этой нестабильности, до сих пор оставались предметом научных дискуссий. Более того, известные на сегодняшний день методы, направленные на повышение структурной прочности LLO, оказались неспособны устранить первопричину проблемы, что и препятствует их массовому применению.
В поисках решения этой задачи, научный коллектив из POSTECH сосредоточил свои усилия на изучении критической роли выделения кислорода в процессе деградации структуры LLO при циклах заряда и разряда. Ученые выдвинули гипотезу о том, что повышение химической устойчивости границы раздела между катодом и электролитом способно предотвратить нежелательное высвобождение кислорода. В соответствии с этой идеей, они разработали усовершенствованный состав электролита, который позволил укрепить межфазную границу катод-электролит. Результатом стало значительное уменьшение выделения кислорода из катодного материала.
Изменения в структуре поверхностных кристаллов и характеристиках срока службы аккумулятора зависят от стабильности межфазной границы. Источник: POSTECH
Экспериментальные данные подтвердили эффективность предложенного подхода. Усовершенствованный электролит продемонстрировал впечатляющую способность сохранять 84,3% от первоначальной емкости даже после 700 полных циклов заряда-разряда. Для сравнения, аккумуляторы с традиционными электролитами сохраняли в среднем лишь 37,1% емкости после 300 аналогичных циклов. Это наглядно демонстрирует существенное увеличение срока службы аккумуляторов благодаря новой технологии.
Более детальный анализ также показал, что структурные изменения, происходящие на поверхности LLO, оказывают определяющее влияние на общую стабильность материала. Управляя этими поверхностными процессами, исследовательская группа смогла добиться кардинального улучшения как продолжительности работы, так и энергетических характеристик катода. Одновременно удалось минимизировать побочные реакции, такие как разложение электролита внутри аккумуляторной ячейки, что также способствует увеличению срока ее службы и безопасности.
Профессор Чжихён Хон, комментируя полученные результаты, отметил: "Использование метода синхротронного излучения позволило нам провести детальный анализ различий в химическом составе и структуре между поверхностью и внутренними областями частиц катодного материала. Полученные данные однозначно свидетельствуют о том, что стабильность поверхности катода является ключевым фактором, определяющим общую структурную целостность материала и, как следствие, его рабочие характеристики. Мы убеждены, что результаты нашего исследования откроют новые перспективы в разработке катодных материалов для аккумуляторов следующего поколения".