Разработана научная основа для создания мощных аккумуляторов

Ученые из МГУ имени М.В. Ломоносова, Сколковского института науки и технологий и Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского создали основу для новых, более мощных литий-ионных аккумуляторов, исследовав структурные и электрохимические характеристики быстрой диффузии лития в электродном материале литий-ионного аккумулятора. Исследование проходило в рамках проекта, поддержанного Российским научным фондом (РНФ), а его результаты были опубликованы в журнале Electrochimica Acta.

В ходе работы ученые использовали литий-ионные аккумуляторы на основе фосфата ванадия-лития (Li₃V₂(PO₄)₃). Работа литий-ионного аккумулятора (ЛИА) основана на принципе обратимого накопления заряженных частиц (ионов лития) в кристаллической структуре различных твердых веществ. В зависимости от природы этих веществ и их химического состава ионы лития имеют различное энергетическое состояние в их структуре, что отражается на электрическом потенциале электрода, изготовленного из таких материалов.

Между двумя электродами, изготовленными из разных веществ с различными потенциалами, помещенными в одно пространство, заполненное ионным проводником (электролитом), возникает напряжение, а при замыкании электрической цепи на нагрузку начинает протекать электрический ток. Этот ток поддерживается за счет переноса ионов лития из кристаллической структуры вещества анода (отрицательного электрода) через электролит в кристаллическую структуру вещества катода (положительного электрода). Механизм движения ионов лития в кристаллической структуре называется диффузией. Скорость диффузии лития в твердом теле определяет мощность ЛИА. Литий–ионные аккумуляторы широко применяются в бытовой технике: они находятся в таких устройствах, как сотовые телефоны, ноутбуки, цифровые фотоаппараты, и во многих других. Появились и новые сферы их использования: электротранспорт и системы распределенной энергетики, где мощность становится одной из приоритетных характеристик.

Основным результатом работы является обнаружение способности фосфата ванадия-лития к сверхбыстрому транспорту ионов лития в его кристаллической структуре, когда это химическое соединение находится в составе электрода литий-ионного аккумулятора.

В ходе работы ученые применяли комплекс физических и электрохимических методов исследования. Совместный анализ результатов применяемых методов, включая использование оригинальных математических моделей, позволил корректно определить ионно-транспортные свойства материала, а также подтвердить асимметричность ионо- и электронопроводящих свойств. Принципиальная возможность высокоскоростного ионного транспорта в указанном соединении была обоснована с использованием методов исследования кристаллической структуры твердых тел и структурного анализа.

«Обнаруженное свойство соединения, а также разработанный методологический комплекс, который позволит корректно определять электрохимические характеристики других перспективных электродных материалов, открывает обширные возможности по созданию электродных материалов ЛИА нового поколения, позволяющих существенно повысить мощность и энергоемкость ЛИА. Такие характеристики ЛИА требуются для применения в электротранспорте и накопителях энергии для систем распределенной энергетики», — рассказал Александр Иванищев, автор статьи, кандидат химических наук, руководитель проекта РНФ.

На рисунке: Зависимость емкости (в миллиампер-часах на грамм (mAh/g) материала, левая вертикальная ось) и обратимости заряда-разряда (в %, отношение емкости на разряде к емкости на заряде) от тока в единицах С (1С – ток, численно равный максимальной теоретической емкости электродного материала – 197 mA/g; током 1С электрод полностью заряжается или разряжается за 1 час).