Исследователям удалось добиться полного сохранения работоспособности катодного материала даже после множества циклов заряда и разряда.
Ирина Петрова
Иллюстративное фото. Источник: lhl.hessen.de
Специалисты Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) совместно с российскими и зарубежными партнёрами разработали вещество, которое увеличивает ёмкость аккумуляторных элементов для электроники и электромобилей в два раза. Информацию об этом предоставили ТАСС в Министерстве науки и высшего образования РФ.
«Учёные ДВФУ, работая в кооперации с коллегами из различных отечественных и иностранных научных организаций, обнаружили способ существенного улучшения литий-ионных батарей, применяемых в телефонах, портативных компьютерах и электрокарах.
Им удалось вдвое повысить ёмкость катодного сырья, при этом обеспечив полное сохранение его ресурса даже после многочисленных операций зарядки и разрядки», — проинформировали в ведомстве.
Достигнутый результат открывает новые горизонты для практического применения литий-ванадиевого фосфата в коммерческих аккумуляторах. Ранее этот материал, несмотря на высокую теоретическую ёмкость, считался малоперспективным из-за своей неспособности конкурировать с более проводящими аналогами, такими как литий-железо-фосфат или слоистые оксиды.
Новый катодный материал
Среди перспективных материалов для изготовления катодов в современных батареях выделяется литий-ванадиевый фосфат. Это соединение отличается высокой теоретической ёмкостью и безопасностью при эксплуатации, однако его серьёзный недостаток — низкая электропроводность. Вследствие этого аккумуляторы на его основе не способны быстро высвобождать энергию и стремительно теряют номинальную ёмкость.
Для устранения этой трудности исследователи получили состав с углеродным покрытием, применив обычную лимонную кислоту как источник углерода. Исходную смесь выдерживали в печи в среде аргона при температурных режимах от 700 до 1000 градусов Цельсия, варьируя также количество углеродной добавки.
Теперь, благодаря углеродному покрытию, созданному из доступной лимонной кислоты, учёные смогли кардинально изменить электрохимические свойства вещества. Важно отметить, что метод синтеза относительно прост и не требует дорогостоящего оборудования — варьирование температуры в атмосфере аргона позволяет точно контролировать структуру получаемого композита. Это делает технологию масштабируемой и потенциально привлекательной для промышленного внедрения.
Увеличена емкость без ухудшения долговечности
Литий-ванадиевый фосфат давно известен науке, но низкая проводимость длительное время препятствовала его интеграции в реальные батарейные системы.
При нагревании до 900 градусов Цельсия кристаллическая структура вещества становится максимально упорядоченной, а углерод формирует вокруг каждой частицы тонкий защитный слой. Данная оболочка выполняет две ключевые функции: превосходно пропускает электрический ток и предохраняет материал от разрушительного взаимодействия с электролитом.
Особого внимания заслуживает тот факт, что двукратное увеличение ёмкости не сопровождается деградацией материала после 25 циклов заряда-разряда.
Обычно в электрохимии существует обратная зависимость: чем выше ёмкость, тем быстрее теряется ресурс из-за разрушения кристаллической решётки или побочных реакций с электролитом. В данном случае углеродная оболочка выступает не только как проводник, но и как защитный барьер, предотвращающий прямой контакт активного вещества с агрессивной средой электролита.
Это позволяет сохранять стабильность структуры даже при интенсивной эксплуатации, что критически важно для электромобилей, где требуется тысячи циклов без существенной потери характеристик.
«Нам удалось увеличить ёмкость без ухудшения долговечности. Обычно попытки улучшить один из параметров батареи приводят к ухудшению другого. В нашем случае мы достигли как двукратного роста ёмкости, так и стопроцентного сохранения характеристик после 25 циклов», — пояснил один из участников работы, кандидат химических наук, сотрудник лаборатории ядерных технологий ДВФУ Олег Шичалин.
Дальнейшие работы
Дальнейшие исследования коллектива будут направлены на оптимизацию состава и технологии нанесения углеродного слоя. Учёные планируют изучить влияние различных органических предшественников углерода — возможно, использование других кислот или сахаров позволит ещё больше повысить проводимость или снизить температуру синтеза.
Кроме того, ведутся работы по адаптации полученного катодного материала к существующим промышленным форматам батарей, включая цилиндрические и призматические элементы. Параллельно решается задача совместимости нового композита с анодными материалами и электролитными системами, чтобы достичь максимальной эффективности в готовом аккумуляторе.
В исследовании также принимали участие представители лаборатории электрохимических источников энергии Института естественных наук и техносферной безопасности Сахалинского госуниверситета, Дальневосточного геологического института ДВО РАН, Московского центра перспективных исследований, кафедры общей физики Пермского политеха, центра перспективных технологий XPANCEO (Дубай) и Кольского научного центра РАН.
Сотрудничество с международными партнёрами, в частности с центром XPANCEO в Дубае, указывает на интерес к разработке не только в академической среде, но и среди технологических компаний.
Эксперты предполагают, что при успешном завершении испытаний и отработке технологии серийного производства, батареи на основе литий-ванадиевого фосфата с углеродным покрытием могут появиться на рынке уже в течение ближайших трёх-пяти лет.
Это станет серьёзным шагом вперёд для портативной электроники — смартфоны смогут работать вдвое дольше без увеличения габаритов, а запас хода электромобилей вырастет без необходимости удорожания батарейного блока.
Таким образом, работа дальневосточных учёных представляет собой не просто лабораторный курьёз, а реальную перспективу изменения энергетического ландшафта.
Журнал «Химагрегаты» внимательно следит за достижениями вузовской науки. Так, мы рассказывали, что специалисты Дальневосточного федерального университета совместно с российскими и белорусскими коллегами создали новый способ безопасного обезвреживания стронция-90.
А также информировали, что учеными Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) был разработан метод, позволяющий существенно повысить эффективность передачи энергии посредством оптоволокна, а также специалистами вуза представлен самозалечивающийся цемент для нефтяных скважин.