Разработан простой, одноступенчатый метод синтеза электродов для литий-фосфатных аккумуляторов. Плотность энергии, обеспечиваемая полученным материалом, может приближаться к теоретическому максимуму. Правда, при очень медленной зарядке и разрядке.

Перезаряжаемые литий-ионные аккумуляторы используются повсеместно: в мобильных телефонах, переносных компьютерах и многих других устройствах; некоторые производители предполагают использовать их в электрических и гибридных автомобилях.

Большинство из общедоступных литий-ионных батарей сегодня изготавливается с использованием оксидов различных металлов — например, кобальта, никеля, марганца. Ученые из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (Pacific Northwest National Laboratory, PNNL) исследовали возможность использования более дешевых и более стабильных фосфатов вместо оксидов. Их работа опубликована в журнале Nano Letters.

Хотя электроды из оксида кобальта хорошо работают в литиевых батареях, кобальт и никель стоят дороже, чем марганец и железо. Аккумуляторы на основе лития и фосфата железа используются в некоторых коммерческих типах солнечных батарей и электроинструментах, но процесс синтеза материалов для фосфатных электродов весьма сложен. Литий/фосфат марганца (LPM, LiMnPO4) теоретически может обеспечивать одно из наибольших значений плотности энергии — около 171 мАˑч на грамм вещества. Но до этого момента не удавалось «выжать» из материалов на основе LPM больше, чем 120 мАˑч/г.

Дайвон Чой (Daiwon Choi), возглавивший исследование, поставил себе цель создать материал с наиболее развитой поверхностью, что позволит минимизировать потери мощности при движении электронов внутри аккумулятора. Для этого ему потребовалась среда, в которой исходное вещество могло бы формировать аккуратные тонкие кристаллы.

Парафин, молекулы которого представляют собой длинные цепочки, в данном случае помогает выстраивать материал в определенную структуру. Олеиновая кислота (поверхностно активное вещество, используемое при изготовлении мыла) способствует равномерному росту кристаллов. Чой смешал LPM с парафином и олеиновой кислотой и медленно увеличивал температуру в процессе роста кристаллов. При 400⁰С парафин и олеиновая кислота испарялись, а дальнейшее повышение температуры заставляло кристаллы объединяться, формируя «пластинки» размером примерно 50 нм.

При зарядке в течение суток и столь же медленной разрядке материал продемонстрировал плотность запасаемой энергии 150 мАˑч/г. Но при быстрой (в течение часа) разрядке этот показатель упал до 117 мАˑч/г, что сравнимо с данными для материалов, обычно используемых в аккумуляторах. При медленной зарядке и разрядке в течение двух суток удалось приблизиться к теоретическому максимуму, «выжав» из материала 168 мАˑч/г. А вот в скоростном режиме (зарядка в течение часа, быстрая разрядка), аккумулятор смог выдать лишь 54 мАˑч/г.

Несмотря на то, что подобные «скоростные характеристики» ограничивают применение полученного материала в аккумуляторах широкого потребления, Чой говорит, что основная ценность работы — создание простого метода, позволяющего исследовать самые разнообразные дешевые материалы, которые раньше считались не самыми подходящими для литий-ионных аккумуляторов. Команда рассчитывает, что им удастся модифицировать один из таких материалов и значительно улучшить его показатели.

А исследователи из MIT разработали не столь простой в получении, но также весьма эффективный материал для литий-ионных аккумуляторов на основе углеродных нанотрубок. Читайте об этом — «Если я заменю батарейки».

По пресс-релизу PNNL