Японские ученые из Иокогамского национального университета разработали литий-ионный аккумулятор с анодом на основе марганца, который обеспечивает плотность энергии 820 Вт·ч/кг, превосходя никель-кобальтовые аккумуляторы (750 Вт·ч на кг). Новый метод синтеза батареи LiMnO2 устраняет проблемы производительности и позволяет создать более экономичный и экологически чистый аккумулятор. Команда видит большой потенциал для коммерциализации этой разработки и ее применения в быстро развивающемся сегменте электромобилей.
Производители электромобилей предпочитают аккумуляторы на основе никеля и кобальта, поскольку они обеспечивают более высокую плотность энергии, что означает больший запас хода при меньшем размере аккумуляторной батареи. Однако оба компонента являются дорогими в добыче и относительно редкими, поэтому для массового производства электромобилей они не подходят. Литий-ионные аккумуляторы традиционно используются в большинстве портативных электронных устройств. Однако их относительно низкая плотность энергии ограничивает их применение в электромобилях. Ученые работают над тем, чтобы сделать такие батареи эффективнее и мощнее.
Активно исследуется использование марганца в качестве компонента анодного материала литий-ионных аккумуляторов (например, в соединениях типа LiMnO2). Однако низкая производительность таких электродов ограничивала их практическое применение. Ученые из Японии в своей последней работе нашли решение этой проблемы.
Изучая различные формы соединения LiMnO2 с помощью рентгеновской дифракции, сканирующей электронной микроскопии и электрохимических методов, ученые обнаружили, что определенная кристаллическая структура (мономорфная слоистая область) способна запускать изменение структуры этого соединения. В результате оно становится более похожим на минерал шпинель. Такое изменение структуры улучшает характеристики электродного материала, облегчая фазовый переход. Без него батареи работали бы менее эффективно.
Исследователям удалось напрямую синтезировать наноструктурированный LiMnO2 с моноклинной слоистой доменной структурой и высокой удельной поверхностью методом простой твердотельной реакции. Этот метод исключает необходимость в промежуточных стадиях и позволяет получить целевой продукт путем прямого спекания двух исходных компонентов.
Тестирование показало, что батарея с электродом LiMnO2 достигает плотности энергии 820 Вт·ч на кг по сравнению с 750 Вт·ч на кг у никель-кобальтовых аккумуляторов. Батареи только на основе лития имеют еще более низкую плотность энергии 500 Вт·ч на кг.
Исследователи сообщили, что марганец, применяемый в других полиморфных модификациях, как правило, демонстрирует вдвое меньшую плотность энергии. В предыдущих исследованиях с использованием марганца выходное напряжение со временем уменьшалось, что приводило к снижению производительности электронных устройств. Однако с электродом LiMnO2 подобного эффекта не было. Проблемой остается растворение марганца, вызванное фазовыми переходами или кислотной средой. Для его предотвращения ученые предлагают использовать концентрированный электролит и покрытие из фосфата лития.
