Ученые Сколтеха уточнили причину низкой эффективности литий-ионных батарей

Экспериментальное опровержение общепринятого объяснения низкой энергоэффективности литий-ионных батарей предоставила международная научная группа с участием ученых Сколковского института науки и технологий, 20 сентября сообщает пресс-служба Сколтеха.

Согласно проведенному исследованию, проблема низкой энергоэффективности литий-ионных батарей заключается в медленном переносе электронов между атомами кислорода и переходных металлов в кристаллической структуре катода, а не миграцией атомов внутри структуры в процессе заряда/разряда, как об этом писали ранее.

Проблема широкоиспользуемых в портативной электронике и электромобилях литий-ионных аккумуляторов в том, что при их зарядке требуется гораздо большее напряжение, чем они обеспечивают при разряде. Называемый гистерезисом напряжения эффект ведет к значительной потере энергии, что увеличивает экономические издержки потребителя.

В настоящее время разработаны новые перспективные катодные материалы на основе литий-обогащенных оксидов, которые позволят вдвое увеличить их емкость, а значит, и время автономной работы мобильных устройств, и пробег электромобилей. Но низкая эффективность литий-ионных батарей препятствует внедрению этих технологий в промышленное производство.

Исследователи экспериментально разобрались в химической природе гистерезиса напряжения у литий-ионных батарей, принцип работы которых заключается в том, что ионы лития перемещаются между двумя ее электродами: во время заряда, они мигрируют на анод, оставляя «вакансии» в кристаллической структуре катода, а в процессе разряда ионы возвращаются на свои места на катоде, создавая электрический ток для работы подключенного устройства.

Ранее гистерезис обясняли тем, что параллельно в процессе заряда батареи часть атомов переходных металлов в катоде мигрирует в освободившиеся вакансии лития, а затем возвращается назад на разряде и полезная энергия частично расходуется на такое их перемещение туда-обратно.

Однако эксперимент ученых по визуализации процесса разных стадиях работы батареи на просвечивающем электронном микроскопе Центра коллективного пользования «Визуализация высокого разрешения» Сколтеха показал, что значимой миграции атомов железа или титана в структуре катодного материала не происходит, а энергия расходуется на какой-то другой внутренний процесс.

Профессор Артём Абакумов, директор Центра энергетических наук и технологий Сколтеха рассказал, что дальнейшие исследования показали: «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».

Профессор пояснил, что «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».

И продолжил: «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“».

Результаты своей работы группа ученных-химиков Сколтеха, а также Коллеж де Франс, Университета Монпелье, Сорбонны, Мюнхенского технического университета, Института Пауля Шеррера, Университета По и Адурской области и Сети по электрохимическому хранению энергии (RS2E) опубликовали в журнале Nature Chemistry.