Химики из МГУ создали материал, способный резко повысить скорость зарядки литий-ионных аккумуляторов
17 марта 2016 г.
Литий-ионные аккумуляторы сегодня можно встретить во многих типах электронных устройств: мобильных телефонах, планшетах, ноутбуках. Популярными они стали в 90-х годах прошлого века, потеснив активно эксплуатируемые ранее никель-металлгидридные батареи.
Впрочем, литий-ионные аккумуляторы имеют и ряд отрицательных качеств: так, при снижении температуры окружающего воздуха до отрицательных величин и охлаждении аккумулятора его емкость может довольно сильно уменьшиться. Другая известная проблема литий-ионного аккумулятора — высокая цена, которая обусловлена, главным образом, дорогостоящими литийсодержащими материалами. К примеру, около половины стоимости популярного за рубежом электромобиля Tesla Model S составляет питающая его батарея литий-ионных аккумуляторов. Среди плюсов данного типа аккумуляторов можно назвать компактность, простоту обслуживания, а также высокую энергоемкость — это означает, что со сравнительно небольшим аккумулятором ваше устройство будет работать долго.
Основной элемент литий-ионного аккумулятора, ограничивающий его энергоемкость, — это материал, из которого сделан его катод. Для большинства из них максимум энергоемкости уже достигнут. В связи с этим ученые и инженеры активно ищут новые катодные материалы, способные заряжаться на полную емкость за минуты, работать при больших плотностях тока, и запасать больше энергии, чем это возможно сейчас.
Один из наиболее перспективных классов катодных материалов для нового поколения литий-ионных аккумуляторов — это фторидофосфаты переходных металлов.
Работа, выполненная коллективом научных сотрудников химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова под руководством члена-корреспондента РАН, заведующего кафедрой электрохимии Евгения Антипова совместно с российскими и бельгийскими коллегами, посвящена созданию нового высокомощного катодного материала на основе фторидофосфата ванадия и калия для литий-ионных аккумуляторов. Результаты работы опубликованы в журнале Chemistry of Materials (текущий импакт-фактор — 8.354).
«В основе работы лежит достаточно простая идея о геометрическом и кристаллохимическом соответствии катионной и анионной подрешеток», — комментирует Станислав Федотов, младший научный сотрудник кафедры электрохимии химического факультета МГУ и один из авторов работы.
Ученым удалось стабилизировать уникальный кристаллический каркас, обеспечивающий быстрый транспорт ионов лития за счет обширных протяженных полостей и каналов. Как следствие, предложенный катодный материал продемонстрировал высокие скорости заряда и разряда (вплоть до 90 секунд) с сохранением более 75% от первоначальной удельной емкости. После оптимизации морфологии и состава материал сможет составить серьезную конкуренцию известным коммерциализированным высокомощным катодным материалам, таким как NaSICON.
По словам авторов исследования, результаты текущей работы не только открывают широкий простор для поиска и последующего синтеза новых катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов, но и являются серьезным стимулом к активной разработке нового типа аккумуляторов, в которых в роли подвижного иона (носителя заряда) будет выступать не ион лития, а ион калия.
«Предполагается, что такие аккумуляторы не только обеспечат высокие энергетические показатели, но и станут крайне привлекательными с экономической точки зрения за счет существенного уменьшения стоимости при замене дорогостоящих литийсодержащих компонентов на более доступные и дешевые калийсодержащие аналоги», — рассказывает Станислав Федотов.