Исследователи выяснили причины низкой энергоэффективности литий-ионных батарей

В портативной электронике и электромобилях используются литий-ионные аккумуляторы. Использование в них катодных материалов нового поколения на основе литий-обогащенных оксидов позволит увеличить время автономной работы устройств в два раза. Однако низкая энергоэффективность не позволяет внедрить их в массовое использование, ведь для заряда батареи требуется гораздо большее напряжение, чем она потом может обеспечить. Такое явление – гистерезис напряжения – сильно увеличивает экономические издержки конечного потребителя, так как приводит к потере большого количества энергии.

Международная научная группа с участием ученых Сколковского института науки и технологий исследовала природу гистерезиса напряжения и опровергла старое объяснение его возникновения. В литий-ионных батареях ионы лития перемещаются между двумя электродами. Во время заряда они отправляются к аноду, а во время разряда – к катоду, тем самым вырабатывая электрический ток. «Но параллельно в процессе заряда батареи часть атомов переходных металлов в катоде мигрирует в освободившиеся вакансии лития, а затем возвращается назад на разряде. На это перемещение туда-обратно и расходуется часть полезной энергии — так объясняли гистерезис раньше», — отметил соавтор работы, аспирант Сколтеха Анатолий Морозов.

Чтобы выяснить, какова природа гистерезиса, ученые решили экспериментально проверить устоявшееся объяснение этого явления. Исследователи проследили, как располагаются атомы переходных металлов в структуре литий-обогащенного катодного материала Li1.17Ti0.33Fe0.5O2 в разные этапы работы батареи. Именно это вещество имеет очень высокий уровень гистерезиса напряжения. Атомную структуру материала удалось получить с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Выяснилось, что серьезного перемещения атомов железа или титана во время работы батареи не происходит. Это означает, что энергия расходуется на какой-то другой процесс.
«Наши наблюдения подтолкнули команду взглянуть на гистерезис напряжения иначе и объяснить эффект гистерезиса напряжения не обратимой миграцией катионов, а обратимым переносом электронов между атомами кислорода и переходных металлов. В процессе заряда батареи некоторые электроны железа захватываются атомами кислорода, затем они возвращаются на место при разряде. На этот обратимый процесс и уходит часть энергии. Понимая природу гистерезиса напряжения как связанного с переносом электронов явления, можно сгладить этот вредный эффект и получить тем самым новое поколение литий-ионных батарей с рекордно высокой удельной энергоемкостью для электрокаров и переносной электроники. Чтобы сделать этот следующий шаг возможным, химики могли бы управлять величиной барьера электронного переноса за счет настройки степени ковалентности связи катион-анион, опираясь на таблицу Менделеева и такие понятия, как «химическая мягкость»», — объяснил профессор Артем Абакумов, директор Центра энергетических наук и технологий Сколтеха.

«Наша работа демонстрирует потенциал продвинутых методов просвечивающей электронной микроскопии для визуализации и расшифровки локальной кристаллической структуры материалов высокой сложности, — добавил Морозов. — Здорово, что студенты и молодые ученые Сколтеха имеют прямой доступ к таким высокотехнологичным инструментам, как просвечивающие электронные микроскопы с коррекцией аберраций, и возможность совершенствовать навыки самостоятельной работы с ними. Это позволяет нам вносить вклад в исследования металл-ионных аккумуляторов на самом высоком уровне и сотрудничать с зарубежными коллегами как из индустрии, так и из научного сообщества».