Не магія, а хімія. Китайські вчені знайшли спосіб стабілізації напруги в батареях майбутнього

Дослідники з Нанькайського університету (Китай) розробили інноваційний метод стабілізації катодів у літій-іонних акумуляторах наступного покоління.

Використовуючи легування вольфрамом на атомному рівні, вченим вдалося значно знизити ефект падіння напруги, який тривалий час залишався головною перешкодою для впровадження високоенергетичних елементів живлення. Результати дослідження, опубліковані в журналі eScience, відкривають шлях до комерційного використання катодів на основі шаруватих оксидів з надлишком літію (LRLO).

Матеріали класу LRLO вважаються ключовими для майбутнього електромобілів та систем зберігання енергії в промислових електромережах через їхню здатність накопичувати значно більше енергії порівняно з традиційними катодами. Однак такі батареї страждають від структурної нестабільності: під час зарядки до високої напруги відбувається міграція перехідних металів та втрата кисню, що призводить до поступового зниження напруги та втрати потужності ще до вичерпання ємності.

Китайська команда запропонувала принципово новий підхід: замість стандартного розміщення домішок в октаедричних позиціях кристалічної решітки, вони ввели атоми вольфраму у тетраедричні міжвузля. Використовуючи модель, вчені додали мінімальну кількість вольфраму — менш як 1 атомний відсоток (оптимально 0,75%).

За допомогою електронної мікроскопії з атомною роздільною здатністю дослідники довели, що кожен атом вольфраму створює кулонівське відштовхування дальньої дії. Це дозволяє одному легуючому елементу стабілізувати ділянку решітки радіусом близько 1 нанометра (загальна ширина зони впливу — приблизно 2 нанометри), що є надзвичайно ефективним на нанорівні. Поліедри літію та кисню, що оточують вольфрам, поглинають механічну напругу, запобігаючи руйнуванню структури.

Результати випробувань продемонстрували разючий контраст. У звичайних катодах характерна «стільникова» структура руйнувалася вже після 20 циклів заряду-розряду. Натомість зразки, леговані вольфрамом, зберігали цілісність решітки навіть після 250 циклів. Рентгенівська дифракція in situ підтвердила, що деформація кристалічної структури під час роботи була мінімальною, а виділення кисню — головна причина падіння напруги — було суттєво пригнічено.

З точки зору електрохімії, нова технологія дозволила обмежити втрати напруги після 200 циклів показником лише 0,150 вольт. Це значне покращення порівняно з усіма наявними аналогами LRLO. Вчені переконані, що запропонований принцип «атомозберігаючого» легування може стати загальним стандартом при проєктуванні високоенергетичних катодів для різних типів оксидних систем, наближаючи еру доступних та довговічних електромобілів з великим запасом ходу.