Исследователи из Высшей технической школы Цюриха разработали новый материал для электродов литий-ионных батарей, существенно увеличивающий их ёмкость и плотность хранения энергии.

За последние годы спрос на литий-ионные батареи разных типов неуклонно растёт. Для них находят всё новые области применения: появились мощные электромобили, сильные роботы, мультикоптеры, БПЛА на солнечных батареях и даже первые самолёты, оснащённые электродвигателями.

Параллельно в сфере альтернативной энергетики разрабатываются новые и усовершенствованные преобразователи: пьезо- термо- фото- механо- и какие угодно ещё *-электрические. Обычно все эти генерирующие элементы не подключаются к потребителям напрямую, а подзаряжают питающие их аккумуляторы.

Измельчённые пластинки нового катодного материала для литий-ионных батарей (фото: ETH Zürich/Peter Rüegg).
Измельчённые пластинки нового катодного материала для литий-ионных батарей (фото: ETH Zürich/Peter Rüegg).

Ёмкость батареи давно стала ключевой характеристикой, лимитирующей возможности современных гаджетов, имплантируемых устройств и «зелёных» транспортных средств. Она определяет время автономной работы, дальность полёта, дистанцию пробега и другие важные характеристики. Именно проблема относительно низкой ёмкости аккумуляторов и необходимость их частой подзарядки сдерживают прогресс во многих областях.

Как носители заряда ионы лития интересны и тем, что способны легко внедряться в пористые материалы (например, графит) и покидать их, переходя обратно в электролит. Различные паразитные эффекты со временем приводят к тому, что всё меньше ионов лития участвуют в этом обратимом процессе. Разработчики пытаются повысить ёмкость аккумуляторов по двум основным направлениям: меняя состав электролита и материал самих электродов.

Швейцарская команда исследователей добилась впечатляющих успехов, разработав электроды из ванадат-боратного стекла. Оно изготовлено из оксида ванадия V2O5 и бората лития LiBO2. Снаружи электрод покрыт графитом, регенерированном из графитовой окиси.

Сканирующая электронная микроскопия катода из ванадат-боратного стекла (фото: Semih Afyon et al.).
Сканирующая электронная микроскопия катода из ванадат-боратного стекла (фото: Semih Afyon et al.).

Пентаоксид диванадия привлекал внимание и раньше потому, что в кристаллической форме он способен удерживать три положительно заряженных иона лития на каждый узел решётки. Это втрое больше, чем у других катодных материалов – в частности, используемых в литий-железо-фосфатных аккумуляторах. Однако оксид ванадия(V) легко отдаёт только часть ионов лития. Кроме того, по мере их внедрения меняется конфигурация самой кристаллической решётки, что приводит к быстрому разрушению катода.

Специалистам Высшей технической школы Цюриха удалось устранить эти негативные эффекты, разработав электрод с аморфной структурой. Порошок оксида ванадия смешивается с боратом лития и расплавляется при температуре 900 °С. Затем расплав охлаждается как можно быстрее, в результате чего формируются тонкие стеклянные пластинки. Для увеличения площади поверхности и создания пористого электродного материала их можно измельчить. “Одно из главных преимуществ ванадат-боратного стекла состоит в том, что оно дёшево в производстве”, – комментирует ведущий автор исследования Семих Афьон.

По результатам первых тестов электроды из ванадат-боратного стекла способны повысить плотность хранения энергии до 1000 ватт-часов на килограмм, при этом практически не увеличивая массу и объём батарей. Во время первых экспериментов ёмкость аккумуляторов без графитового покрытия электродов быстро снижалась уже после тридцати циклов заряд/разряд. После добавления графитовой оболочки аккумуляторы продемонстрировали стабильную ёмкость, выдержав сто циклов практически без потерь. При менее агрессивной схеме перезарядки (силой тока до 300 мА на грамм) они не уступают в долговечности традиционным литий-ионным аккумуляторам и превосходят их по ёмкости в полтора-два раза.