Российские ученые из Сколтеха совместно с коллегами из Франции, США и Швейцарии узнали, в чем причина энергетических потерь в литий-ионных аккумуляторах с катодами из обогащенных литием сложных оксидов переходных металлов. Дело в в том, что в них образовываются кинетически заторможенные долгоживущие промежуточные состояния никеля. Исследование опубликовано в журнале журнале Nature Materials.
Для электротранспорта нужны литий-ионные аккумуляторы с более высокой энергоемкостью, чтобы увеличить время работы и пробег без подзарядки. Перспективное направление — разработка тяговых батарей нового поколения на основе катодных материалов, представляющих собой сложные оксиды лития и переходных металлов с избыточным содержанием лития. Они обеспечивают самую большую электрохимическую емкость за счет того, что в окислительно-восстановительных реакциях участвуют как катионы переходных металлов (никель и кобальт), так и анионы кислорода. Однако существует серьезная проблема: из-за разного напряжения заряда и разряда (гистерезис напряжения) такой аккумулятор теряет много энергии.
«В процессе работы литий-ионного аккумулятора положительно заряженные катионы лития покидают свои места в структуре катодного материала при заряде и встраиваются обратно при разряде. Одновременно катодный материал должен отдать или принять эквивалентное количество электронов, чтобы сохранить электронейтральность. В нашей работе показано, что кинетические затруднения и энергетические барьеры связаны не только с перемещением катионов лития, но в значительной степени с перемещением электронов. В особенности заторможенной может быть передача электронов между катионами переходного металла и атомами кислорода, что как раз и приводит к энергетическим потерям», — рассказывает профессор Артем Абакумов, директор Центра энергетических технологий (CEST) Сколтеха.
«Для того чтобы "поймать" такие заторможенные электронные состояния, нам было необходимо в первую очередь исключить другие возможные причины гистерезиса рабочего напряжения, например изменения в кристаллической структуре катода за счет миграции катионов переходных металлов. Мы убедительно показали отсутствие таких необратимых процессов с использованием просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения. Нам позволил это сделать уникальный микроскоп Titan Themis Z, установленный в ЦКП "Визуализация высокого разрешения" в Сколтехе. Этот прибор обеспечивает пространственное разрешение до 0,06 нм, что позволяет получать изображения кристаллических структур с атомным разрешением», — отмечает аспирант Сколтеха Анатолий Морозов.
В этой работе ученые использовали изображения структур, а также провели спектральный анализ электронного состояния катионов никеля и титана и анионов кислорода. Исследования проводились в разных состояниях заряда аккумулятора. Так ученые выяснили, что никель при высоком окислении характеризуется заторможенным электронным состоянием.
Ученые показали, что электронная микроскопия открывает уникальные возможности для исследования практически важных материалов.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
