Исследователи из Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) совместно с коллегами из российских и зарубежных научных центров создали технологию, которая вдвое повышает емкость литий‑ионных аккумуляторов и при этом полностью сохраняет их ресурс после многократных циклов зарядки и разрядки.
Ключевая деталь аккумулятора — катод, или положительный электрод. Именно от него зависит, сколько энергии способна запасти батарея. Один из самых перспективных материалов для катодов — фосфат ванадия-лития. Он отличается высокой теоретической емкостью и безопасностью в использовании, однако имеет существенный недостаток — низкую электропроводность. Из‑за этого аккумуляторы на его основе не могут быстро отдавать энергию и стремительно теряют емкость уже после нескольких десятков циклов использования.
Чтобы решить эту проблему, ученые разработали материал со специальным углеродным покрытием. В качестве источника углерода использовали лимонную кислоту, а для синтеза применили золь‑гель‑метод. Он позволяет получать однородные материалы с частицами нанометрового размера.
Процесс синтеза включал нагрев исходной смеси в печи в атмосфере аргона (инертного газа, не вступающего в химические реакции) при температурах от 700 до 1000 °C — при этом варьировалось количество углеродной добавки.
Результаты исследований показали, что при нагреве до 900 °C кристаллы приобретают идеальную упорядоченность, а углерод формирует тонкую защитную оболочку вокруг каждой частицы. Эта оболочка обеспечивает хорошую электропроводность и защищает материал от агрессивного воздействия электролита — жидкости внутри аккумулятора, отвечающей за перенос электрического заряда. Благодаря такому сочетанию ионы лития беспрепятственно проникают внутрь материала, электроны быстро перемещаются по углеродной сетке, а катод сохраняет целостность в процессе эксплуатации. В то же время при температуре ниже 900 °C структура кристаллов нарушается, а при более высоких значениях частицы слипаются, что уменьшает полезную поверхность материала. Кроме того, при недостатке углерода защитная оболочка получается неравномерной — это ускоряет окисление материала.
По словам ученых, предложенный метод не требует сложного оборудования или дорогостоящих материалов и легко поддается масштабированию. В перспективе это позволит производителям выпускать аккумуляторы с удвоенной емкостью, которые будут служить годами без потери характеристик. Такие батареи найдут применение в самых разных устройствах — от смартфонов и ноутбуков до электромобилей и систем хранения энергии от солнечных батарей.