Китайские учёные определили материалы, которые сжимаются при нагревании, что позволяет восстанавливать стареющие литий-ионные аккумуляторы почти со 100-процентным восстановлением напряжения.
Достижение, полученное исследовательской группой из Института технологии и инженерии материалов Нинбо (NIMTE) Китайской академии наук (CAS) в сотрудничестве с исследователями из Чикагского университета и других учреждений, не только усовершенствовало технологию аккумуляторов с высокой плотностью энергии и долговечностью, но и обещает произвести революцию в разработке и применении материалов в будущем.
Соответствующие результаты были опубликованы в журнале Nature.
По словам руководителя группы Лю Чжаопина, исследователя из NIMTE, для расширения эксплуатационных возможностей электромобилей и самолётов необходимо усовершенствовать технологию литий-ионных аккумуляторов нового поколения с высокой плотностью энергии.
Будучи основным компонентом аккумуляторов, катодные материалы играют важную роль в накоплении и высвобождении энергии посредством химических реакций во время зарядки и разрядки. Они существенно влияют на удельную энергию аккумулятора, срок службы, безопасность и стоимость производства.
Слоистые оксидные катодные материалы с высоким содержанием лития обеспечивают рекордную ёмкость более 300 мАч/г, что превышает показатели коммерчески доступных катодных материалов. Этот материал может повысить плотность энергии аккумулятора более чем на 30 процентов, сохраняя при этом значительные преимущества в стоимости.
Однако добиться баланса между высокой плотностью энергии и долгосрочной стабильностью в аккумуляторах на основе литий-ионных катодов из слоистых оксидных материалов по-прежнему сложно: после многократных циклов зарядки напряжение постепенно снижается, что приводит к старению аккумулятора.
Команда исследователей обнаружила, что богатые литием слоистые оксидные катодные материалы сжимаются при нагревании в диапазоне температур от 150 до 250 градусов по Цельсию.
Был разработан новый электрохимический метод, позволяющий вернуть состарившиеся слоистые оксидные катодные материалы, богатые литием, из структурно неупорядоченного и нестабильного состояния в исходное упорядоченное состояние.
«Благодаря интеллектуальной настройке стратегий зарядки можно периодически устранять структурные дефекты катода, тем самым значительно продлевая срок службы аккумулятора», — сказал Цю Бао, ведущий автор исследования.
На основе надёжной системы прогнозирования команда разработала первый в мире катод с нулевым тепловым расширением, который демонстрирует минимальное изменение объёма при колебаниях температуры.
Это усовершенствование может решить такие проблемы, как сокращение срока службы батареи из-за температурных колебаний, открывая новые возможности для литий-ионных аккумуляторов нового поколения с высокой плотностью энергии.
Благодаря интеграции передовых экспериментальных методов и искусственного интеллекта дизайн материалов развивается в направлении персонализации по запросу. По словам экспертов, в будущем литий-ионные аккумуляторы позволят преодолеть традиционный компромисс между запасом хода и сроком службы, благодаря чему электромобили и самолёты смогут похвастаться как увеличенным запасом хода, так и сверхдлительным сроком службы.
«Значение этих результатов выходит за рамки исследований аккумуляторов. Они оригинальны, интересны и важны, поскольку предлагают новые принципы для разработки функциональных материалов», — прокомментировали рецензенты из Nature.