Литий-ионные батареи способны обеспечивать высокую емкость, превышающую 300 мАч/г. Однако их преимущество — эффективная окислительно-восстановительная реакция — зачастую становится и недостатком, сокращающим производительность батарей. Группа ученых из Китая и США разработала материалы с нулевым тепловым расширением. С их помощью в стареющих литий-ионных аккумуляторах удалось достичь почти 100 % восстановления напряжения.
Литий-ионные аккумуляторы могут обеспечивать превосходную производительность благодаря окислительно-восстановительной (ОВР) химии, в которой кислород используется для переноса электронов на катод аккумулятора. Благодаря ОВР емкость аккумулятора увеличивается на 30%. Однако применение ОВР имеет и определенные недостатки. Иногда во время зарядки могут происходить необратимые реакции, влияющие на напряжение батареи.
Более высокая плотность энергии может также привести к асимметричному искажению решетки, которое приводит к старению батареи. Вероятно, причина этого — тепловое расширение материалов, используемых в батарее, что в конечном итоге влияет на производительность и сокращает потенциальный срок службы аккумулятора. А поскольку литий-ионные аккумуляторы — весьма дорогие и востребованные накопители энергии, увеличение жизненного цикла привлекательная область исследований и инвестиций.
Тепловое расширение — распространенное явление в природе. Оно часто приводит к структурному беспорядку или потере точности, снижая, в конечном итоге, производительность материала. Ученые из Академии наук Китая и Университета Чикаго обнаружили в оксидных катодных материалах, богатых литием, отрицательное тепловое расширение. При нагревании до 150–250 °C эти материалы сжимаются, а не расширяются.
Рассматривая структурный беспорядок как изменяемый параметр, а не как дефект, исследователи выявили корреляцию между активностью ОВР и коэффициентами отрицательного теплового расширения. «Настраивая обратимую активность ОВР, можно с точностью переключать коэффициент теплового расширения между положительным, нулевым и отрицательным состояниями», — пояснил Цю Бао, ведущий автор исследования.
Команда создала надежную прогностический инструмент, позволяющий с помощью точной настройки ОВР изготовить первый в мире катод с нулевым тепловым расширением. Он сможет эффективно противодействовать тепловому расширению, а значит, будет структурно стабильным и долговечным, пишет EurekAlert.
Тесты показали, что при воздействии импульсов напряжения в 4 В структура решетки обновилась, а восстановление напряжения достигло почти 100 %.
Благодаря этому открытию умные системы зарядки смогут в будущем восстанавливать материалы с помощью электрохимических методов из неупорядоченных состояний в упорядоченные, увеличивая срок службы батарей вдвое.
