Литий-обогащённые материалы для катодов (положительных электродов) способны накапливать заметно больше заряда, чем используемые сегодня в электромобилях и электронике. Это делает их перспективными для аккумуляторов следующего поколения. Однако у таких катодов есть давняя проблема: при заряде и разряде ионы переходных металлов, например никеля и марганца, могут смещаться из своих позиций в кристаллической структуре. Эти ионы перекрывают пути для лития, замедляя его движение и вызывая необратимую потерю ёмкости после многих циклов.

Обычно учёные стараются сохранить в катоде строгий порядок в расположении атомов, полагая, что так литию легче двигаться. Но что, если работает обратный подход?

Группа под руководством профессора Кёджина Ку из Университета Ханбат (Южная Корея) проверила это, намеренно нарушив атомную структуру литий-обогащённого катода. Работа опубликована в журнале Energy Storage Materials. В центре внимания был состав Li1.2Ni0.4Mn0.4O2 - соединение никеля и марганца без дорогого кобальта. Обычно оно образует аккуратную слоистую структуру, где литий и переходные металлы занимают отдельные плоскости.

Чтобы получить разупорядоченную форму, исследователи использовали высокоэнергетическую шаровую мельницу - метод механического измельчения, при котором смесь материалов интенсивно перетирается шариками. В результате атомы лития и переходных металлов распределились более случайным образом. "Насколько нам известно, это первый случай, когда такой состав удалось получить в разупорядоченной форме", - отмечает Ку.

Сравнив неупорядоченный материал с упорядоченным, учёные обнаружили: у первого заряд и разряд протекают симметричнее, ёмкость выше, а при больших токах он работает лучше. Кроме того, материал показал стабильность - сохранил около 90% начальной ёмкости после 50 циклов без снижения напряжения.

Теоретический и компьютерный анализ помог объяснить улучшения. "Намеренно перемешав атомы в разупорядоченную структуру типа каменной соли, мы развязали движение лития и вредное движение переходных металлов, - поясняет Ку. - Литий по-прежнему эффективно течёт по связанной сети открытых путей, а переходные металлы оказываются запертыми на месте и больше не могут блокировать эти пути".

Авторы подчёркивают: это пока лабораторный результат, но он указывает на подход к созданию катодов с более высокой плотностью энергии. "Мы показали, что разупорядоченность катионов (положительно заряженных ионов) можно использовать как инструмент для решения проблемы, которая годами сдерживала целое семейство высокоэнергетических материалов для батарей, - заключает Ку. - Если этот принцип развить, он поможет приблизить литий-обогащённые катоды к коммерческому применению и проложить путь к более долговечным аккумуляторам для электромобилей и накопителей энергии".

Источник: Tech Xplore