Главная проблема современных аккумуляторов — катод (положительный электрод). Один из перспективных материалов для катодов — фосфат ванадия-лития. У него высокая емкость и хорошая безопасность, но он плохо проводит ток: из‑за этого батареи быстро теряют емкость после нескольких циклов зарядки.
Чтобы решить эту проблему, ученые Дальневосточного федерального университета вместе с коллегами из российских и зарубежных научных центров синтезировали материал с углеродным покрытием — в качестве источника углерода использовали обычную лимонную кислоту. Как сообщила пресс-служба Минобрнауки РФ порталу Наука Mail, процесс напоминал выпечку: смесь нагревали в печи в атмосфере аргона при температуре от 700°C до 1000°C с разным количеством углеродной добавки (метод называется золь‑гель синтезом).
Лучший результат дал образец, нагретый до 900°C, с равным количеством лимонной кислоты и солей. Его удельная емкость составила 114 мА·ч/г — в два раза больше, чем у аналогов с меньшим содержанием углерода. При этом ресурс материала сохранился после многократных циклов зарядки и разрядки: будущие батареи смогут работать вдвое дольше без подзарядки и не будут быстро изнашиваться.
Исследование опубликовано в журнале Journal of Composites Science.
Нам удалось повысить емкость без потери ресурса. Обычно, когда пытаются улучшить один параметр батареи, страдает другой. Здесь же мы получили и удвоение емкости, и 100% сохранение после 25 циклов.
При нагреве до 900 °C кристаллы материала выстраиваются в идеальном порядке, а углерод создает вокруг каждой частицы тонкую защитную оболочку. Эта оболочка хорошо проводит электричество и одновременно защищает материал от агрессивного воздействия электролита. Благодаря ей ионы лития легко проникают внутрь, электроны быстро движутся по углеродной сетке, а катод не разрушается со временем.
Если температура ниже 900 °C, кристаллы получаются несовершенными, а если выше — частицы слипаются и полезная поверхность материала резко снижается. При недостатке углерода оболочка выходит неровной, из‑за чего материал быстро окисляется.
Фосфат ванадия-лития известен давно, но из‑за плохой проводимости его не получалось эффективно использовать в батареях. Теперь ученые нашли простой и дешевый способ решить эту проблему: достаточно точно подобрать температуру нагрева и количество лимонной кислоты. Метод подходит для массового производства — он не требует сложного оборудования или дорогих материалов.
В будущем это позволит выпускать аккумуляторы, которые будут работать вдвое дольше без подзарядки и служить годами без потери емкости. Такие батареи пригодятся в смартфонах, ноутбуках, электромобилях и системах хранения энергии от солнечных батарей.
В исследовании участвовали ученые из ряда научных организаций России и зарубежья, включая ДВФУ, Сахалинский госуниверситет, институты РАН и центр XPANCEO в Дубае.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, чем опасен пауэрбанк в самолете.
