В большинстве своем твердые вещества расширяются при повышении температуры и сжимаются при охлаждении, и лишь некоторым материалам свойственен отрицательный коэффициент теплового расширения. Одно из таких редких исключений — фосфат лития-титана — может с успехом решить зимние проблемы литий-ионных аккумуляторов.
Литий-ионные батареи (ЛИБ) и другие перезаряжаемые источники питания на основе ионов металлов применяются повсюду — от гаджетов до электромобилей. Они удивительно эффективны — но только пока тепло. Снижение температуры приводит к значительному сокращению емкости ЛИБ и потере ими ресурса вплоть до полной неработоспособности.
В качестве решений зимних проблем ЛИБ предлагаются различные подходы — встроенные нагреватели, улучшенные электролиты или покрытие электродов — но все это повышает стоимость и сложность производства батарей или снижает производительность.
Одна из основных причин ухудшения работы аккумулятора на холоде — замедление диффузии ионов лития в материале электрода. Для решения этой проблемы китайские ученые предложили изготавливать анод из фосфата лития-титана LiTi2(PO4)3 (LTP) — вещества с отрицательным тепловыми расширением.
Трехмерный анализ структуры LTP выявил в его кристаллической решетке как «полости», так и «каналы», где могут находиться ионы лития. С понижением температуры эта структура растягивается вдоль одной из своих осей. Используя методы спектрометрии и электронной микроскопии, исследователи установили, что охлаждение вещества вызывает усиление поперечных колебаний определенных атомов кислорода, увеличивая их расстояние друг от друга.
Это, в свою очередь, расширяет полости для перемещения ионов лития. По приведенным в журнале Angewandte Chemie International Edition экспериментальным данным, скорость диффузии Li+ при -10 °C составила 84% от значения, измеренного при 25 °C. Испытания LTP с углеродным покрытием при -10 °C также показали хорошие электрохимические характеристики с большой емкостью и высокой скоростью, а также устойчивую работу в течение 1000 циклов заряда/разряда.
Таким образом, материалы с отрицательным тепловым расширением весьма перспективны для производства ЛИБ, эксплуатируемых в условиях низких температур.
Прорыв в создании аккумуляторов: литий удалось заменить магнием