Учёные преодолели главное препятствие для коммерциализации литий-металлических аккумуляторов

Коллектив исследователей из Корейского института передовых технологий (KAIST) объявил о создании литий-металлического аккумулятора для электромобилей, устойчивого к образованию дендритов. По словам учёных, эта разработка знаменует собой наступление новой эры в технологии аккумуляторов для электромобилей, поскольку она решает ключевую проблему, препятствовавшую коммерческому использованию литий-металлических батарей.

Новая конструкция аккумулятора предлагает на тридцать три процента больше запаса хода на одном заряде по сравнению с традиционными литий-ионными батареями. Это увеличивает среднюю дальность пробега электромобиля с 600 до 800 километров. Помимо этого, прорывная разработка обладает временем быстрой зарядки всего двенадцать минут и сроком службы, превышающим 300 000 километров.

В отличие от привычных литий-ионных аккумуляторов, в литий-металлических батареях анод изготовлен из металла, а не из графита. Такая конструкция известна тем, что увеличивает плотность энергии, а следовательно, и запас хода электромобиля. Однако технология сталкивалась с критическим ограничением: при перезарядке на аноде образуются древовидные структуры, называемые дендритами. Накопление этих кристаллов лития снижает производительность батареи и может привести к короткому замыканию, которое выводит её из строя. Эта проблема особенно остро проявляется во время быстрой зарядки, что делало её применение в таких условиях очень трудной задачей.

Исследовательская группа под руководством профессора Хи Така Кима из KAIST и при сотрудничестве с LG Energy Solution разработала новый жидкий электролит с ингибирующей когезией анионной структурой. Этот материал обладает слабым сродством к ионам лития в жидкости, что минимизирует неоднородность на поверхности литиевого анода и эффективно подавляет рост дендритов даже в условиях быстрой зарядки.

Как отметил профессор Ким, четырёхлетнее исследование стало ключевой основой для преодоления технических проблем литий-металлических батарей. Технический директор LG Energy Solution Джей-Янг Ким добавил, что сотрудничество принесло значимые результаты, и компания намерена укреплять такие партнёрства для решения технологических задач в области аккумуляторов следующего поколения.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Energy.

Тетраэдры вместо октаэдров: тихая революция в материаловедении батарей

Группа китайских ученых обнаружила, что беспорядок в структуре катода может быть его главным преимуществом.

Тетраэдры вместо октаэдров: тихая революция в материаловедении батарей

Ученые из Пекинского университета под руководством профессора Ся Динго совершили прорыв в создании литиевых батарей нового поколения. Они обнаружили ранее неизвестный механизм работы катода из аморфного материала Li-V-O-F с тетраэдрической координацией. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Materials. Работа доказывает, что такой катод демонстрирует выдающуюся электрохимическую производительность и стабильность, превосходя традиционные кристаллические аналоги и расширяя границы известной химии окислительно-восстановительных реакций с участием анионов.

Обычные катоды с высокой емкостью имеют кристаллическую структуру с октаэдрической координацией. Это часто приводит к потере кислорода, разрушению структуры и падению напряжения при высоких нагрузках. Аморфные материалы, долгое время игнорировавшиеся из-за своего неупорядоченного строения, лишены дальнего порядка, но обладают уникальной атомарной гибкостью. Это делает их перспективными кандидатами для новых редокс-механизмов.

Данное исследование меняет представления о химии анионных redox-реакций, доказывая, что они могут протекать вне кристаллических решеток и без октаэдрической координации. Открытие обратимой реакции с участием димеров кислорода (O–O) в аморфной тетраэдрической структуре открывает новые пути для проектирования литий-ионных аккумуляторов с высокой емкостью и структурной стабильностью.

Ключевые открытия:

•Аморфный катод Li-V-O-F сохраняет тетраэдрическое окружение даже после извлечения лития, что бросает вызов традиционной зависимости от октаэдрических структур.

•При заряде до ~4.1 В в материале образуются координационные пары O–O, что указывает на формирование димеров кислорода.

•Спектроскопический анализ подтвердил, что окисляются именно атомы кислорода, а не ванадия. Это доказывает доминирующий анионный редокс-механизм, включающий обратимые процессы образования и разрыва пероксоподобных связей.

•Моделирование показало, что аморфная структура позволяет димерам кислорода формироваться спонтанно и термодинамически выгодно, в отличие от жестких кристаллических аналогов.

Электрохимические тесты показали впечатляющие результаты:

•Высокая емкость: более 300 мАч/г в диапазоне напряжений 1.5–4.8 В.

•Псевдоемкостная кинетика: наноразмерные каналы обеспечивают сверхбыстрый перенос ионов лития.

•Стабильность: отсутствие выделения кислорода и падения напряжения при длительном циклировании при высоком напряжении.

Аморфные материалы, долгое время считавшиеся слишком беспорядочными для практического применения, теперь становятся сильными претендентами на роль основы для батарей будущего. Они предлагают высокую плотность энергии, улучшенную стабильность и гибкость проектирования, недостижимые для кристаллических материалов. Этот прорыв может значительно улучшить производительность литий-ионных аккумуляторов для электромобилей, накопителей для энергосетей и носимой электроники.

Реальная польза этого исследования заключается в потенциальном преодолении фундаментальных ограничений современных литий-ионных аккумуляторов. Если традиционные катоды «устают» и деградируют при высоких напряжениях (что критично для быстрой зарядки и высокой емкости), то эта аморфная система демонстрирует феноменальную стабильность. Это прямой путь к:

•Увеличению пробега электромобилей без увеличения размеров батареи.

•Сокращению времени зарядки благодаря псевдоемкостным свойствам и быстрому ионному транспорту.

•Созданию более безопасных батарей, поскольку исключается опасное выделение кислорода, ведущее к возгоранию.

•Удешевлению производства, так как аморфные материалы зачастую проще и дешевле синтезировать, чем высокоупорядоченные кристаллы.

В долгосрочной перспективе это открывает ящик Пандоры для материаловедов: теперь можно целенаправленно проектировать материалы не с идеальной, а с «выгодно беспорядочной» структурой под конкретные задачи.

Основное замечание касается готовности технологии к коммерциализации. Исследование блестяще с фундаментальной точки зрения, но упускает из виду ряд практических аспектов.

•Во-первых, в работе используется фтор (F), который может осложнять процесс синтеза в промышленных масштабах и повышать стоимость.

•Во-вторых, заявленная емкость в 300 мАч/г достигается в очень широком диапазоне напряжений (1.5–4.8 В), в то время как рабочее напряжение (~4.1 В для редокс-реакции кислорода) является довольно низким для катодного материала.

Это может негативно сказаться на общей плотности энергии батареи на практике. Требуются дополнительные исследования, чтобы проверить, сохранятся ли выдающиеся свойства материала при сборке в полноразмерные промышленные элементы, а не в маленькие лабораторные ячейки.