Данное исследование объединяет электрохимию и физику твердого тела, создавая новую парадигму для устойчивых к искажениям энергетических материалов.
Ученые из Института передовых исследований материалов (WPI-AIMR) при Университете Тохоку в Японии обратились к богатым марганцем оксидам для создания долговечных катодов с практически идеальными характеристиками циклической работы, что значительно улучшит характеристики литий-ионных батарей.
Литий-ионные батареи являются основой нашего перехода к электрифицированной экономике. От хранения возобновляемой энергии, получаемой от солнца и ветра, до питания электромобилей на протяжении многих километров без выбросов выхлопных газов — литий-ионные батареи делают это возможным. От крошечных носимых устройств до массивных устройств хранения энергии — литий-ионные батареи повсюду.
Однако их широкое использование не лишено проблем. Кобальт является важным компонентом в конструкции литий-ионных батарей, а также довольно дорог. Добавьте к этому проблемы, связанные с неэтичной добычей этого ценного элемента, и становится ясно, что крупномасштабное использование литий-ионных батарей создает больше экологических проблем, чем решает.
Переход на марганец
Катод и анод — это два электрода в батарее, и их характеристики определяют, как батарея будет работать со временем. Катоды относительно дороже в производстве, и переход от кобальта к марганцу может быть эффективным способом снижения затрат.
Однако предыдущие попытки использования марганца, широко распространенного элемента, в литий-ионных батареях сталкивались с серьезными проблемами. Одна из них — искажения Яна-Теллера, при которых нелинейные молекулы с пространственно вырожденным электронным основным состоянием претерпевают геометрическое искажение, чтобы снизить общую энергию молекулы.
Исследователи из WPI-AIMR использовали метод «межфазной орбитальной инженерии» для решения структурных проблем, которые десятилетиями препятствовали разработке марганцевых батарей.
Что такое межфазная орбитальная инженерия?
Предыдущие попытки противодействия искажениям Яна-Теллера в ионах марганца основывались на легировании или макроскопических покрытиях на катодах. Однако японская команда решила устранить первопричину проблемы и искала решение, работающее на атомном уровне для противодействия искажениям Яна-Теллера.
Затем они использовали «орбитальную геометрическую фрустрацию» на неколлинеарных границах раздела, чтобы предотвратить одновременное снижение энергии электронов, и успешно нейтрализовали искажения Яна-Теллера, которые приводят к коллапсу материала.
Основанная на топологии электронных орбиталей, эта конструкция обеспечивает практически идеальную стабильность при циклической работе, поскольку исследователи не наблюдали деградации катода даже после 500 циклов. Что еще более важно, она также помогла исследователям объединить электрохимию и физику твердого тела, создав новую парадигму для устойчивых к искажениям энергетических материалов.
Переход на марганец, доступную и недорогую альтернативу кобальту, также гарантирует, что литий-ионные батареи, созданные с использованием этой технологии, будут дешевле, долговечнее и экологичнее.
В случае с электромобилями это означало бы более доступную цену на автомобили и надежный запас хода от аккумуляторной батареи без опасений ее деградации со временем.
В более крупных масштабах эти литий-марганцево-оксидные батареи помогут хранить большие объемы возобновляемой энергии, которую можно будет поставлять в периоды пикового спроса. Это приведет к созданию более чистой и экологичной экономики с меньшими затратами.
«Учитывая ценовые преимущества марганца, оксиды на основе Mn также представляют собой наиболее перспективные с коммерческой точки зрения катодные материалы для натрий-ионных батарей», — добавил Хао Ли, профессор WPI-AIMR, в пресс-релизе. Это открывает потенциальные возможности для применения данной технологии по мере развития батарей, использующих еще более обильные ресурсы планеты.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Американского химического общества.
Sourse: interestingengineering.com
