Основные компоненты литиево-ионного аккумулятора – это
два электрода (анод и катод) плюс электролит. Традиционно при
изготовлении батарей используются графит для анода и оксид металла,
например кобальта и никеля, для катода. Роль электролита выполняет
литиевая соль в органическом растворителе.Несмотря
на крайне широкое распространение, стандартные литиево-ионные батареи
не могут похвастаться ни длительной работой после полной зарядки, ни
сохранением одинаковой работоспособности на протяжении всего срока
службы.
В поисках более удачной
технологии для производства литиевых батарей американские инженеры из
Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории cфокусировались
на материале, из которого изготовляют катод. Как сообщается в пресс-релизе,
для начала исследователи решили использовать в этом качестве
модернизированный вариант марганца или железа, которые в исходном своём
состоянии немного уступают по функциональности кобальту и никелю, зато
выигрывают по себестоимости производства.
|
"В
перспективе аккумуляторы с продвинутыми электродами станут недорогой и
более эффективной альтернативой традиционным литиево-ионным батареям", –
говорит Чой. Здесь показана общая схема опыта. Пояснения ниже
(иллюстрация Choi et al.). |
Американцы рассудили, что
при изготовлении катодов гораздо резоннее перейти от оксидов к фосфатам
металлов, что повысит стабильность работы. В ходе отборочных испытаний
всех конкурентов обошёл фосфат лития-марганца (LMP). Его химическая
формула — LiMnPO4. С ним и проводились дальнейшие эксперименты.
Теоретически
LMP как материал для электрода литиевой батареи обладает очень высокой
ёмкостью в 171 миллиампер часов на грамм вещества. Однако на практике
учёным до сих пор удалось приблизиться лишь к показателю в 120 мАч/г.
|
Частички фосфата LMP, потенциальная золотая жила для производителей батарей (фото Choi et al.). |
В размышлениях, куда же
деваются целых 30% полезной ёмкости, американцы поставили эксперименты с
молекулярной структурой катода. Как считают исследователи, при
изготовлении электрода традиционным методом его строение оказывается
хаотичным и препятствует дальнейшей работе детали на все 100%.
Усовершенствовать
структуру инженеры решили весьма необычным образом: они смешали
некоторое количество микрочастиц воска и мыла с компонентами электрода,
после чего нагрели смесь до 400 °C.
Парафин, состоящий из длинных прямых молекул, "построил" молекулы металлов в некое подобие линий. Олеиновая
кислота (компонент мыла) поспособствовала равномерному формированию из
этих линий кристаллов, а те, в свою очередь, под влиянием температуры
сливались в микропластины. По завершению такого построения
вспомогательные материалы испарились.
Чтобы определить размеры микропластин, команда использовала просвечивающий электронный микроскоп, принадлежащий лаборатории молекулярной экологии (EMSL). Средняя толщина пластинок составила около 50 нанометров, а длина – около двух тысяч.
|
Этапы
просвечивающей электронной микроскопии, где a – дифракционная картина, b
– "свежеизготовленная" микропластина, с – её увеличенное изображение, d
–дифракционная картина под микроскопом, e и f – изображения частиц
фосфата литий-марганца после измельчения (иллюстрация Choi et al.). |
Для проверки новообретённых
способностей LMP учёные развели пластинки немного дальше друг от друга и
добавили "поддержку" углерода, который выступил в качестве анода.
При
различных режимах зарядки-разрядки материал демонстрировал и различную
плотность запасаемой энергии. Так, при медленном протекании процесса в
течение целых суток желанный показатель плотности энергии составил 150
мАч/г, а при быстрой (в течение часа) разрядке значение упало до 117
мАч/г.
К теоретическому максимуму
учёным удалось приблизиться при зарядке и разрядке в течение двух суток –
из материала было "выжато" аж 168 мАч/г. Впрочем, при скоростном режиме
(заправка за час) тестовый аккумулятор показал лишь 54 мАч/г.
Хотя подобная "тугодумность" батареи не особенно радует, авторы, чья статья опубликована
в Nano Letters, спешат заверить, что время зарядки в будущем
сократится, а сама методика находится ещё только в начале долгого и
знаменательного пути.
Материал
предоставлен
интернет-журналом MEMBRANA (www.membrana.ru)