Литий-ионные аккумуляторы можно обнаружить практически в каждом современном мобильном электроприборе. Одним из их недостатков являются сравнительно невысокие токи разряда и заряда, в результате чего аккумуляторы заряжаются достаточно долго, а при работе не могут обеспечить большую выходную мощность. Принцип работы литий-ионных батарей основан на перераспределении ионов лития между электродами, поэтому максимальный ток напрямую зависит от скорости их транспорта. Исследователи из MIT (США) разработали наноматериал на основе железо-литиевого фосфата LiFePO4, который обладает высокой подвижностью лития и благодаря этому обеспечивает высокие скорости разряда батарей.
LiFePO4 уже используется в качестве материала положительного электрода литий-ионных аккумуляторов. Недавно было показано, что литий может входить в кристаллическую структуру LiFePO4 лишь вдоль определенного направления, а именно, [010]. Исследователи предположили, что если обеспечить транспорт ионов лития вдоль поверхности кристалла к соответствующим граням, то это существенно увеличит скорость разряда батареи.
В ходе экспериментов твердофазным методом был получен порошок общего состава LiFe0.9P0.95O4-x с размером кристаллитов около 50 нм. На поверхности частиц феррофосфата наблюдался 5 нм слой обогащенной фосфором стеклообразной фазы, близкой по ряду характеристик к пирофосфатам. Авторы предположили, что она, в отличие от LiFePO4, обладает хорошей литиевой проводимостью в различных направлениях, поэтому даже тонкий ее слой значительно улучшает диффузию ионов Li+ вдоль поверхности кристаллитов LiFePO4.
Для исследования электрохимических свойств была собрана электрохимическая ячейка с катодом из нового материала и литиевым анодом, аналогичная по конструкции литиевым аккумуляторам. Для описания скорости разряда аккумулятора обычно используется время его полного разряда. За единицу измерения принимается такая скорость, при которой разряд полной емкости емкости С происходит за один час; тогда при скорости nC аккумулятор разрядится за 1/n часов.
LiFePO4 уже используется в качестве материала положительного электрода литий-ионных аккумуляторов. Недавно было показано, что литий может входить в кристаллическую структуру LiFePO4 лишь вдоль определенного направления, а именно, [010]. Исследователи предположили, что если обеспечить транспорт ионов лития вдоль поверхности кристалла к соответствующим граням, то это существенно увеличит скорость разряда батареи.
В ходе экспериментов твердофазным методом был получен порошок общего состава LiFe0.9P0.95O4-x с размером кристаллитов около 50 нм. На поверхности частиц феррофосфата наблюдался 5 нм слой обогащенной фосфором стеклообразной фазы, близкой по ряду характеристик к пирофосфатам. Авторы предположили, что она, в отличие от LiFePO4, обладает хорошей литиевой проводимостью в различных направлениях, поэтому даже тонкий ее слой значительно улучшает диффузию ионов Li+ вдоль поверхности кристаллитов LiFePO4.
Для исследования электрохимических свойств была собрана электрохимическая ячейка с катодом из нового материала и литиевым анодом, аналогичная по конструкции литиевым аккумуляторам. Для описания скорости разряда аккумулятора обычно используется время его полного разряда. За единицу измерения принимается такая скорость, при которой разряд полной емкости емкости С происходит за один час; тогда при скорости nC аккумулятор разрядится за 1/n часов.
При достаточно высокой для литиевых аккумуляторов скорости 2С полученный материал демонстрировал емкость, близкую к теоретической (около 170 мАч/г), и даже при 50С сохранял до 80% от этой величины; при этом за 50 циклов заряда-разряда не произошло какого-либо заметного снижения емкости. Возможно также достижение емкости 100 мАч/г при скорости 200С и 60 мАч/г - при 400С, что во много раз выше, чем у современных литий-ионных батарей. Емкость материала стехиометрического состава, полученного в тех же условиях, также достаточно велика, но заметно ниже описанной.
Развиваемая исследуемой ячейкой мощность достигает 170 кВт/кг при 400С, в то время как мощность современных литиевых аккумуляторов при обычных скоростях разряда составляет 0.5 - 2 кВт/кг. Способность литий-ионных батарей так быстро заряжаться и разряжаться ставит их в один ряд с суперконденсаторами. Продолжительность зарядки аккумулятора мобильного телефона может составить всего несколько десятков секунд, а мощной батареи электромобиля – несколько минут. Конечно, пока это лишь лабораторная разработка, и неизвестно, смогут ли ученые реализовать весь потенциал нового материала на практике.
Работа «Battery materials for ultrafast charging and discharging» опубликована в журнале Nature.
Работа «Battery materials for ultrafast charging and discharging» опубликована в журнале Nature.
