Новости

17 октября, 2023 15:29

Ученые определили роль кобальта и никеля в катодах аккумуляторов, чтобы улучшить их характеристики

Развитие собственного производства литий-ионных аккумуляторов — одна из ключевых задач в технологической повестке России. Несмотря на большие запасы лития, объемов производства литий-ионных аккумуляторов в стране на сегодняшний день недостаточно. Особенно остро стоит вопрос создания аккумуляторов с высокой плотностью энергии для использования в электромобилях. Свой вклад в решение проблемы вносят представители как индустрии, так и науки. В новом исследовании ученые из Сколтеха совместно с коллегами из Франции, Китая и других стран впервые смогли определить роль кобальта и никеля в электрохимических свойствах катодных материалов, необходимых для производства аккумуляторов. Работа поддержана грантом Российского научного фонда, ее результаты опубликованы в журнале Nature Materials.
Анатолий Морозов работает на просвечивающем электронном микроскопе. Источник: Сколтех
Изображение просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения. Яркие точки соответствуют атомным колонкам переходных металлов (никель-марганец и кобальт-марганец). Тёмные участки соответствуют колонкам атомов лития и кислорода. Автор: А. Морозов
3 / 4
Анатолий Морозов работает на просвечивающем электронном микроскопе. Источник: Сколтех
Изображение просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения. Яркие точки соответствуют атомным колонкам переходных металлов (никель-марганец и кобальт-марганец). Тёмные участки соответствуют колонкам атомов лития и кислорода. Автор: А. Морозов

В современных литий-ионных аккумуляторах в качестве материала одного из электродов используются слоистые оксиды лития, никеля, марганца и кобальта. Никель, марганец и кобальт принадлежат к одному классу — 3d-переходных металлов, поэтому их электронная структура и химические свойства схожи между собой. Поскольку они абсолютно равномерно перемешаны в кристаллической структуре слоистых оксидов, разделить их вклад в электрохимические свойства катодного материала очень трудно.

Для решения задачи разделения роли никеля и кобальта учёные получили два модельных соединения — оксид лития-никеля-марганца и оксид лития-кобальта-марганца — и затем провели комплексное исследование их структуры, состава и электрохимических свойств. С помощью комбинированных исследований данных систем различными спектроскопическими и электрохимическими методами, а также просвечивающей электронной микроскопией высокого разрешения исследователи представили результаты их сопоставления по нескольким параметрам: локальная атомная структура материалов, её эволюция в процессе работы электрохимической ячейки и взаимосвязь наблюдаемых явлений с возникновением механических напряжений, кинетикой (де)интеркаляции лития, кинетикой окислительно-восстановительных процессов и так далее.

«Мы провели исследование на уникальном оборудовании Центра коллективного пользования „Визуализация высокого разрешения“ в Сколтехе. С его помощью мы изучили атомную структуру материалов для литий-ионных аккумуляторов. Нашей задачей было получить данные об эволюции локальной кристаллической структуры материалов при электрохимическом циклировании. Подготовка образца, работа непосредственно с оборудованием и интерпретация результатов требуют очень большой аккуратности и точности», — рассказал соавтор работы Анатолий Морозов, младший научный сотрудник Центра энергетических технологий Сколтеха.
«В ходе обсуждения результатов с нашими коллегами из Коллеж де Франс мы проанализировали данные не только просвечивающей электронной микроскопии, но и рентгенографии, спектроскопии и электрохимических измерений. Результаты мы представили в виде сравнительной таблицы, из которой можно сделать вывод о преимуществах и недостатках материалов на основе кобальта и никеля. Эти данные будут использованы для направленного дизайна состава катодных материалов для создания литий-ионных аккумуляторов с высокой плотностью энергии, необходимых для производства электромобилей», — объяснил соавтор работы Артём Абакумов, профессор и директор Центра энергетических технологий Сколтеха.

Исследование выполнено в рамках проекта «Создание перспективных электрохимических систем хранения энергии с помощью направленного дизайна локальной структуры и микроструктуры электродных материалов», поддержанного грантом Российского научного фонда до 2026 года. Под руководством профессора Артёма Абакумова учёные разрабатывают научные основы дизайна высокоёмких электродных материалов и твёрдых электролитов для создания следующего поколения вторичных электрохимических источников тока с высокой плотностью энергии.

Результаты проекта внесут вклад в реализацию Концепции по развитию производства и использования электрического автомобильного транспорта в Российской Федерации. Согласно принятой на период до 2030 года концепции, на территории России будет развиваться производственная база по выпуску собственных электромобилей.

17 июля, 2024
За последние пять лет ИИ стал на девять процентов точнее выявлять рак кожи
Исследователи проанализировали научные статьи о диагностике рака кожи с помощью технологии искусстве...
12 июля, 2024
Кабаны в Подмосковье оказались заражены опасным вирусом
В популяциях диких кабанов Московской области ученые проверили наличие цирковируса свиней — опасно...