Работу литий‑ионного аккумулятора можно представить как челночный бег: при зарядке ионы лития «бегут» от катода (положительного элемента) к аноду (отрицательному), а при разрядке — обратно. Скорость зарядки и разрядки зависит от того, насколько быстро ионы присоединяются к катоду и отсоединяются от него. А емкость батареи определяется тем, сколько ионов катод может «накопить».
Обычно катод делают из оксида кобальта с литием — у него хорошая емкость, но он быстро портится: теряет свойства из‑за перепадов температуры и частых циклов зарядки‑разрядки. Поэтому ученые ищут более надежный материал, чтобы аккумуляторы для телефонов, ноутбуков и электромобилей служили дольше.
Ученые из Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского (Саратов) с помощью компьютерного моделирования предсказали улучшенный материал, по строению напоминающий сэндвич, который можно использовать для изготовления катодов. Об этом порталу Наука Mail рассказала пресс-служба РНФ.
Ученые улучшили материал для катода литий‑ионного аккумулятора: к традиционному оксиду кобальта с литием добавили тонкий слой графена — очень прочного и хорошо проводящего ток материала из углерода.
С помощью расчетов ученые подобрали оптимальное соотношение компонентов и проверили разные варианты. Лучше всего показал себя образец, где оксида кобальта с литием в восемь раз больше, чем графена. В нем ионы движутся в 1,6 раза быстрее, а емкость выросла более чем в пять раз. При этом материал сохраняет свойства и при −40°C, и при +80°C.
Авторы считают, что можно еще увеличить долю оксида кобальта (например, до соотношения 9:1), но тогда могут снизиться прочность и скорость движения ионов — эти варианты еще предстоит изучить.
Наше исследование приближает появление смартфонов и ноутбуков, которые заряжаются за минуты и работают дни без подзарядки, а также электромобилей с запасом хода, сравнимым с бензиновыми авто, и безопасных даже в экстремальных климатических условиях. В дальнейшем мы планируем проанализировать квантовую емкость сэндвича на основе графена и оксида кобальта с литием в процессе отсоединения от него ионов лития, то есть с учетом изменения состава. Такой анализ может утвердить возможность использования предложенный материал в качестве основы для катодов в суперконденсаторах, способных быстро отдавать заряд, и ионно-литиевых батареях, способных накапливать много заряда.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что предложен новый метод проектирования быстрозаряжаемых батарей.