Новости химической науки > Для эффективности не всегда нужен порядок

Более эффективные литий-ионные аккумуляторы, которые могут запасать большее количество энергии, могут быть получены за счет введения дополнительного беспорядка в их электроды – это наблюдение противоречит ранее высказывавшимся предположениям о способах увеличения их эффективности.

Открытие того, что для получения электродов в аккумуляторах вовсе нет необходимости в получении высокоупорядоченных кристаллических структурах, может значительно увеличить число кандидатов для изготовления аккумуляторов нового типа.

Литий-ионные аккумуляторы могут запасать больше энергии на единицу массы по сравнению, например, с никель-кадмиевыми. Это обстоятельство позволяет как уменьшать размер портативных электронных устройств, так и увеличивать время между перезарядками источников питания. Тем не менее, для ряда применений, требующих больших затратов энергии (например для того, чтобы электромобиль мог проехать на одной зарядке большее расстояние), требуется еще большая плотность энергии аккумулятора.

Ранее предполагалось, что упорядоченные материалы со слоистой структурой позволяют ионам лития перемещаться быстрее, чем в разупорядоченных материалах. (Рисунок из Science, 2014, DOI: 10.1126/science.1246432)

При разряде литий-ионного аккумулятора ионы лития перемещаются к катоду, в процессе зарядки они возвращаются к аноду. Таким образом, увеличение емкости аккумулятора, в том числе, требует и того, чтобы электроды могли более эффективно поглощать и высвобождать катионы лития. Традиционно материал катода изготавливают из имеющих слоистое состояние оксидных материалов, в которых ионы лития и ионы переходных металлов располагаются в раздельных, четко сформированных плоскостях. Предполагалось, что такая упорядоченность необходима для увеличения эффективности работы электрода, так как дефекты в слоях могут вызывать сжатие оксидных структур и затруднять как поглощение, так и испускание ионов лития.

Разупорядоченные структуры также позволяют ионам лития входить в электрод и покидать материал электрода благодаря тонким слоям ионов в структуре. (Рисунок из Science, 2014, DOI: 10.1126/science.1246432)

Гербранд Седер (Gerbrand Ceder) с коллегами из Массачусетского Технологического Института и Национальной Лаборатории Брукхевен решили выяснить, будет ли являться хорошим катодным материалом Li_1.211Mo_0.467Cr_0.3O₂. Этот материал отличается слоистым строением, однако через несколько циклов зарядка/разрядка некоторое количество катионов лития случайным образом меняются местами с ионами переходных металлов, что приводит к «катодному разупорядочиванию». Теоретически, этот процесс должен был мешать ионам лития входить в структуру электрода и покидать ее, что, в свою очередь, должно было бы привести к прекращению работы катода, однако было обнаружено, что емкость материала и его энергетические характеристики оставались неизменными даже при его существенной деградации.

Для объяснения наблюдаемого явления исследователи решили провести моделирование электронной структуры. Было обнаружено, что рандомизация положения катионов не ингибирует скорость диффузии ионов лития, как предполагалось до настоящего времени. Вместо этого, если в материале присутствует достаточное количество лития, между центральной и внешней областью электрода формируются тонкие слои ионов лития, позволяющие литию попадать в электрод и исходить из него. Как отмечает Седер, главным результатом работы можно считать не столько обнаружение нового катодного материала, сколько новое направление в поисках материалов для изготовления катодов.

Специалист по материаловедению Йи Куй (Yi Cui) из Стэнфорда отмечает, что новая работа представляет собой хороший пример изучения материала, свойства которого не позволяли ожидать от него большого значения катодной емкости. Он добавляет, что катод всегда являлся элементом, в наибольшей степени определяющим энергетическую плотность литий-ионных аккумуляторов, а результаты работы предлагают новое направление для поиска материалов, способных выступить в роли катода.

Источник: Science, 2014, DOI: 10.1126/science.1246432

метки статьи: #неорганическая химия, #новые материалы, #химия твердого тела, #электрохимия