Д-р Йеннифер Людвиг из Мюнхенского технического университета (TUM) разработала процесс, который позволяет быстро, просто, дешево и качественно производить перспективный высоковольтный катодный материал — литий-кобальтовый фосфат. За свою работу химик получила премию Evonik Research.
С недавних пор литий-кобальтовый фосфат рассматривается среди исследователей аккумуляторных батарей как материал будущего. Он работает при более высоком напряжении, чем фосфат литий-железа, используемый до сих пор и, следовательно, достигает более высокой плотности энергии — 800 ватт-часов на килограмм вместо почти 600 ватт-часов.
Однако до сих пор производство перспективного высоковольтного катодного материала было дорогостоящим, энергоемким и не очень эффективным: требовались жесткие условия с температурой 900 градусов.
«Кристаллы, которые образуются в этих экстремальных условиях, различаются по размерам, и на втором довольно энергоемком этапе их нужно измельчить до нанокристаллического порошка», — сообщает Людвиг.
Полученные гранулы обладают достаточной ионной проводимостью только в одном направлении. На большей части поверхности химическая реакция между материалом электрода и электролитом в батарее проходит очень медленно.
Микроволновый синтез, разработанный Йеннифер Людвиг, состоит в том, чтобы решить все эти проблемы за один раз: для извлечения фосфата литий-кобальта высокой чистоты требуется всего лишь небольшое микроволновое устройство и полчаса времени.
Реагенты нагреваются вместе с растворителем в тефлоновой емкости. Достаточно 600 Вт, чтобы достичь необходимой температуры 250 градусов и стимулировать образование кристаллов.
Полученные таким образом плоские тромбоциты имеют диаметр менее одного микрометра, толщину нескольких сотен нанометров, а ось максимальной проводимости ориентирована на поверхность. «Эта форма обеспечивает лучшие электрохимические характеристики, потому что иону лития нужно проходить в кристалле очень короткие расстояния», объясняет Людвиг.
Химик смогла решить в своих экспериментах еще одну проблему: при температурах выше 200°С и при высоком давлении создается не желаемый фосфат кобальта лития, а пока еще неизвестный до сих пор сложный гидрофосфат гидроксида кобальта.
Йеннифер Людвиг удалось выяснить, каким путем идет реакция, выделить химическое соединение и определить его структуру и свойства. Поскольку новое соединение не подходит в качестве материала для аккумуляторных батарей, то она изменила условия реакции таким образом, чтобы получить только желаемый фосфат литий-кобальта.
Финансировали работу Людвиг Высшая школа TUM, BMW, а также Фонд химической промышленности. Исследование электрохимических свойств проводилось в сотрудничестве с кафедрой технической электрохимии Мюнхенского технического университета. Структура и свойства комплексного гидрофосфата гидроксида кобальта были исследованы в сотрудничестве с Национальной лабораторией Лоуренса Беркли (LBNL), Стэнфордским синхротронным излучающим источником света (SSRL) и Институтом Вальтера Мейснера (WMI). Йеннифер Людвиг получила премию Evonik Research Award за разработку своего нового процесса синтеза, который химическая группа ежегодно присуждает выдающимся молодым ученым.
Источник: https://www.solarserver.de/solar-magazin/nachrichten/aktuelles/2017/kw42/huerde-zu-hochvolt-kathoden-fuer-lithiumionen-akkus-ueberwunden.html