Ученые Дальневосточного федерального университета представили метод улучшения литий-ионных аккумуляторов. Добавление углеродного покрытия из лимонной кислоты при нагреве до 900°C позволило вдвое повысить емкость катода из фосфата ванадия лития без потери ресурса после многократных циклов заряда и разряда.
Главная проблема современных батарей для смартфонов, ноутбуков и электромобилей связана с катодом — положительным электродом, который влияет на энергоемкость. Перспективным материалом для катодов считается фосфат ванадия лития: он безопасен и обладает высокой теоретической емкостью, но имеет серьезный недостаток — низкую электропроводность. Это приводит к быстрой потере емкости после нескольких десятков циклов зарядки.
Авторы работы нашли решение, применив золь-гель-синтез с добавлением углеродного покрытия. В качестве источника углерода использовалась лимонная кислота. Смесь нагревалась в печи в атмосфере аргона при температурах от 700 до 1000°C. Оптимальным оказался режим в 900°C при равном соотношении лимонной кислоты и солей. В результате удельная емкость образца составила 114 мА·ч/г, что вдвое выше показателей материалов с меньшим содержанием углерода.
Как поясняют авторы, обычно улучшение одного параметра батареи ведет к ухудшению другого. В данном случае удалось не только удвоить емкость, но и полностью сохранить ресурс материала после 25 циклов заряда-разряда.
При нагреве до 900°C формируется упорядоченная кристаллическая структура, а углерод создает тонкую проводящую оболочку вокруг каждой частицы. Эта оболочка обеспечивает хороший ток, защищает материал от воздействия электролита и предотвращает разрушение катода. При более низких температурах кристаллы получаются несовершенными, при более высоких — частицы слипаются, снижая полезную поверхность. Недостаток углерода ведет к разрывам защитной пленки и окислению.
Предложенный метод отличается простотой и низкой стоимостью, не требует сложного оборудования и легко масштабируется для промышленного производства. В перспективе он может позволить выпускать аккумуляторы с вдвое большим временем работы без подзарядки и длительным сроком службы для широкого спектра устройств — от портативной электроники до электромобилей и систем хранения энергии.