Химики из Южного федерального университета (Ростов-на-Дону) и ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН (Черноголовка) предложили улучшения свойств анодов литий-ионных аккумуляторов — заменой графита на наночастицы железосодержащего маггемита. При этом синтезировать маггемит микрофлюидным методом, который позволяет достаточно точно контролировать размер наночастиц и легко масштабировать процесс, добились устойчивости этого материала, а также изучили процессы, происходящие в таком аноде. Статья коллектива исследователей опубликована в Ceramics International.
Литий-ионные аккумуляторы — одна из важнейших составляющих современной цивилизации, недаром за их создание и развитие была присуждена Нобелевская премия по химии 2019 года. Классический материал анодного материала таких аккумуляторов — графит, в который в ходе заряда «встраиваются» ионы лития. Однако графит имеет свои ограничения: медленная скорость заряда и возможное образование литиевых дендритов во время этого процесса, которые могут «прорасти» к катоду и вызвать короткое замыкание.
В качестве альтернативы графиту давно уже предложен маггемит (γ-Fe₂O₃). Этот материал имеет теоретическую ёмкость втрое выше графита (до 1000 мА*ч/г), не горюч, нетоксичен и сравнительно дешев.
Однако у этого материала есть два заметных недостатка. Во-первых, при многократном заряде-разряде он сильно меняется в объеме, что разрушает электрод, во-вторых, он обладает невысокой собственной электропроводностью.
Решение этих проблем обычно лежит в области получения наночастиц маггемита. Авторы разработали новый масштабируемый метод их получения, лишенный недостатков традиционных методов (осаждение, золь-гель технология, термическое разложение). Эти методы либо очень сложны и требуют высоких температур, либо дают очень большой размеров наночастиц, с щироким распределением по размерам. Альтернатива — микрофлюидный метод — позволяет контролировать размер частиц, за счет настраиваемого дозирования реагентов, но прямое смешение за частую приводит к быстрому закупориванию микроканалов.
Химики из Черноголовки и Ростова-на-Дону предложили пористые мембраны из полиэфирсульфона, гидрофильного полимера, которые разделяют поток реактива на нанокапли, каждая из которых становится реакционной зоной. В результате слипания наночастиц не происходит.
Экспериментальный синтез маггемита показал, что в результате образуются наночастицы всего 7 нанометров в поперечнике с очень небольшим разбросом по размеру и выходом в 98%. Удельная поверхность полученного материала (важнейший параметр для анодного материала) оказалась очень высокой – порядка 120 кв.м/г.
Синхротронные рентгеновские спектры поглощения — XANES — подтвердили, что получены были именно частицы маггемита (γ-Fe₂O₃), без примесей двухвалентного железа как в магнетите.
Важной частью работы стало изучение процессов, происходящих внутри анода на каждом этапе его жизни. Для этого снова было использовано синхротронное рентгеновское излучение (спектры XANES и EXAFS снимались прямо в электрохимических ячейках во время заряда и разряда). По словам авторов, им удалось получить целое «рентгеновское кино», которое показало, какие фазы и вещества и в каких пропорциях образуются в процессе выхода ионов лития из анода и возвращении их обратно.
«Химико-физический фильм с нанокадрами» подтвердил предложенный авторами механизм работы нового нанокомпозита (предполагалось, что более прочные адгезионные свойства КМЦ компенсируют расширение и сжатие наночастиц маггемита, не позволяя электроду разрушаться) и показал, что все превращения во время разряда и заряда происходят обратимо, без накопления остаточных продуктов.
«Новая работа открывает путь к созданию масштабируемого производства альтернативного анодного материала для литий-ионных аккумуляторов, а детальное изучение процессов, происходящих в нем во время разряда и заряда дает нам в руки инструмент для дальнейшего осмысленного поиска способов улучшения его характеристик», — говорит одна из авторов работы, научный сотрудник лаборатории твердотельных электрохимических систем ФИЦ ПХФ и МХ РАН (Черноголовка) Елизавета Евщик.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
