Китайские химики разработали долговечный и экологичный катод для литий-ионных аккумуляторов, которые в том числе использует подавляющее большинство производителей смартфонов. Он сохраняет 94,5% емкости батареи после 200 циклов зарядки — разрядки и лишен токсичных элементов.
Литиевые аккумуляторы применяются везде: от гаджетов и различной электронной техники до электромобилей. Одним из элементов конструкции батарей является катод — электрод, из которого вытекает электрический ток. Его противоположность — анод, в который ток втекает. Китайские химики усовершенствовали катод из никеля, добавив в него высоковалентные ионы теллура и получив аккумулятор, который сохраняет емкость дольше аналогов. Описание их разработки представлено в журнале Nature Sustainbility.
Опыты показали, что такой аккумулятор теряет не более 1% своей изначальной емкости после ста циклов зарядки — разрядки и лишь 5–6% — после 200 циклов. В то время как аналогичный катод из никеля без добавления теллура потерял за то же самое время более 40% емкости.
В подавляющем большинстве случаев в литий-ионных аккумуляторах в качестве катода используют кобальт. Это проверенный временем материал со стабильными свойствами и высочайшей плотностью энергии. Благодаря этим свойствам кобальтовые катоды, к примеру, завоевали рынок смартфонов. Литиевые аккумуляторы с такими катодами получаются компактными и хорошо держат заряд в течение дня.
Кобальт — токсичное вещество, его избыток в организме приводит к так называемому отравлению кобальтом, а высокие концентрации в окружающей среде могут негативно влиять на растения, животных и людей. Кроме того, кобальт обладает канцерогенными свойствами и, как считается, способствует развитию онкологических заболеваний.
Наличие кобальта в литий-ионных батареях осложняет их захоронение и переработку, поэтому ученые активно ищут ему замену. Ею часто выступает никель, но у батарей с катодом из никеля есть недостатки: они хуже держат заряд, чем аккумуляторы с катодами из кобальта, часто выходят из строя. Это происходит из-за деформации объема аккумулятора и потому, что в толще таких катодов формируются агрессивные молекулы, содержащие кислород.
Чтобы избежать всего этого, китайские химики и добавили к катоду из никеля небольшое количество ионов теллура с максимальной степенью окисления (+6), что способствовало образованию в толще катода наноструктур из шести атомов никеля и одного иона теллура. Они стабилизировали кристаллическую решетку материала и воспрепятствовали «побегу» электронов из атомов кислорода.
Впрочем, пока рано говорить о полноценной замене нового типа катодов в литиевых аккумуляторах — ученые провели лишь первые опыты.
Оригинал статьи и другие материалы об энергетике читайте на сайте журнала «Энергия+».