Современные аккумуляторы полагаются в основном на металлы, но исследователи ищут способы задействовать и другие элементы. Новое исследование, опубликованное в журнале Small, показывает, что хлор - отрицательно заряженный ион (анион) - способен вносить вклад в работу катода (положительного электрода) литиевой батареи.

Группа под руководством профессора Ру-Ши Лю из Национального университета Тайваня вместе с коллегами из Национального центра синхротронного излучения (Тайвань) и Нагойского технологического института (Япония) изучала соединение Li2FeCl4. Они собрали полностью твердотельный элемент, где это соединение служило катодом, и провели электрохимические измерения.

При зарядке учёные обнаружили два пика окисления - около 3,8 и 4,2 вольта относительно литиевого электрода. Первый процесс связан в основном с окислением железа, а второй указывает на участие хлора. Чтобы понять природу второго пика, исследователи применили рентгеновскую фотоэлектронную и рентгеновскую абсорбционную спектроскопию, а также расчёты методом теории функционала плотности (компьютерное моделирование электронной структуры).

Оказалось, что при заряде меняется электронное состояние хлора. Расчёты выявили так называемые несвязывающие орбитали хлора - электронные состояния, которые могут отдавать заряд, когда из материала удаляются электроны. Кроме того, обнаружился эффект "восстановительного связывания": на первом этапе заряда железо окисляется, а при более высоком напряжении, когда начинает работать хлор, железо частично восстанавливается. Это помогает материалу перераспределять заряд и частично возвращать симметрию.

Дополнительные эксперименты с рентгеновской дифракцией показали, что при извлечении лития в катоде сосуществуют разные фазы, а изменения внутри отдельных зёрен материала происходят неравномерно. Это говорит о том, что процесс с участием хлора связан не только с переносом электронов, но и с локальными связями и деформациями структуры.

Авторы подчёркивают: до практического применения ещё далеко. Высоковольтный процесс с участием хлора был лишь частично обратим, и исследователи не исключают выделения газообразного хлора в условиях эксперимента. Работа скорее объясняет механизмы, которые помогут в будущем создавать новые материалы для аккумуляторов, чем предлагает готовую технологию.

Источник: Phys.org