Российские учёные решили основные проблемы литий-ионных аккумуляторов

13.01.16 | Рубрика: Литиевые источники тока. Просмотры: 1 211

Сегодня литий-ионные аккумуляторы являются самыми распространёнными, они используются во множестве устройств — от мобильных телефонов до электромобилей. По сравнению с аккумуляторами других типов у них больше ёмкость, меньше вес. Но ёмкость всё равно остаётся недостаточной для электромобилей, из-за чего запас хода современных электромобилей редко превышает 300 км. К тому же они требует длительного времени подзарядки и отличаются высокой себестоимостью.

Учёные Сибирского отделения Российской академии наук (СО РАН) утверждают, что решили проблемы литий-ионных аккумуляторов. Они разработали новые аккумуляторы на основе наноразмерного литий-марганцевого оксида. Такие батареи отличаются большей ёмкостью, значительно большей скоростью заряда и вместе с тем более низкой себестоимостью. Результаты исследования были опубликованы на английском языке в журнале Nature Materials.

Официальное издание СО РАН «Наука в Сибири» так описывает новейшее изобретение:

«Чтобы понять, что сделали сибирские учёные, нужно вспомнить, из чего состоит аккумулятор. В нём есть два электрода. Первый из них — катод — должен иметь в своём составе ионы d-металлов, которые способны легко менять степень окисления. В качестве второго — анода — чаще всего используется углеродный материал типа графита. Оба эти электрода обладают способностью обратимо внедрять в свою структуру и экстрагировать ионы лития. Но последние заряжены положительно. Если они уходят из вещества, то, по закону электронейтральности, ионы d-металла должны окисляться: из одного- в двухвалентные, из двух- в трёх- и т.д.

— Раньше исследовали материалы, из которых можно было экстрагировать только один ион лития на формульную единицу, при этом заряд иона d-металла увеличивался также на единицу — то есть происходил одноэлектронный процесс, что определяло достаточно небольшую ёмкость аккумулятора. В дальнейшем стало понятно: необходимо найти такие материалы, из структуры которых можно было бы экстрагировать два или три иона лития, а для этого нужно подбирать d-металлы, способные к многоэлектронному процессу окисления-восстановления, — рассказывает старший научный сотрудник ИХТТМ СО РАН кандидат химических наук Нина Васильевна Косова.

Оказалось, что в качестве таких металлов можно использовать никель, ванадий, марганец. Если соединения первых двух считаются ядовитыми, то последний оказался экологически безопасным.

— В новом электродном материале на основе литий-марганцевого оксида может быть реализован процесс экстракции-внедрения нескольких ионов лития из структуры и окисления-восстановления ионов марганца не на одну единицу, а на две, причем при высоком напряжении. В результате получилось и повысить напряжение, и увеличить ёмкость, — сообщает исследовательница.

Как правило, для синтеза электродных материалов применяют две группы методов: твердо- и жидкофазные. Первые для промышленности более просты. Сибирские учёные воспользовались твердофазным механохимическим синтезом».

Разработка нового типа батарей в СО РАН велась по заказу французской компании SAFT — одного из крупнейших мировых производителей материалов для литий-ионных батарей. На новую разработку получено три патента — французский, европейский и мировой. Позднее результаты российских учёных в ходе независимых исследований подтвердили их коллеги из Университета Кан Нижняя Нормандия. Сибирские учёные планируют продолжать сотрудничество с коллегами из французского университета в этом направлении в том случае, если будет найдено финансирование.

Источник: Русский автомобиль