Сегодня стоимость катода — это половина стоимости литий-ионного элемента питания. Кроме того, существует проблема безопасности и устойчивости. Новый тип катода на основе железа заменит более дорогие и редкие металлы — кобальт и никель, — и откроет путь к производству более безопасных и дешевых батарей с повышенной плотностью энергии, по сравнению с традиционной литий-ионной химией.
Спрос на никель и кобальт растет вместе с распространением электромобилей, и через несколько десятков лет предсказанный дефицит этих металлов не позволит продолжать производство литий-ионных аккумуляторов в их нынешнем виде, пишет Science Daily. Вдобавок, плотность энергии этих элементов уже приблизилась к потолку — еще немного, и батареи начнут воспламеняться во время зарядки из-за выбросов кислорода. Плюс добыча кобальта загрязняет окружающую среду и воду.
Все это вместе объясняет, почему ученые ряда стран заняты поисками другой химии для батарей. Международная команда ученых решила заменить катод литий-ионной батареи на железный. Это четвертый по распространенности в земной коре элемент, и его точно хватит надолго.
«Мы изменили реакционную способность железа, самого дешевого из металлов, — сказал Цзи Сюлэй, исследователь из Университета штата Орегон. — Наш электрод может предложить более высокую плотность энергии, чем современные катодные материалы в электромобилях. А поскольку мы используем железо, цена которого обычно не превышает доллара за килограмм — небольшую долю от цены на никель и кобальт, незаменимых для современных высокоэнергетических литий-ионных аккумуляторах — цена наших батарей потенциально намного ниже».
Исследователи повысили реактивную способность железа в катоде, разработав химическую среду на основе фтора и фосфатов. Эта смесь, добавленная в твердую среду, обеспечила двустороннюю конверсию — то есть перезарядку батареи — железного порошка, фторида лития и фосфата лития в соли железа.
«Мы показали, что разработка материалов с анионами может преодолевать порог плотности энергии для более устойчивых и дешевых батарей, — сказал Цзи. — Мы не используем более дорогие соли в сочетании с железом, только те, которые применяются в индустрии батарей, и еще железный порошок. Для установки нового катода не надо менять ничего другого — никаких новых анодов, никаких новых производственных линий, никакой новой архитектуры батарей. Мы меняем только одно — катод».
