Материалы, из которых состоят электроды, являются основным компонентом для увеличения плотности энергии и мощности, а также безопасности и срока службы литий-ионных аккумуляторов. Аноды этих батарей состоят из проводника тока и нанесенного на него активного материала, в котором энергия накапливается в форме химических соединений.
В качестве активного материала в настоящее время преимущественно используется графит. Однако отрицательные электроды с покрытием из графита имеют низкую скорость заряда. У них также есть проблемы с безопасностью. Альтернативой им является оксид титаната лития (LTO), который уже нашел коммерческое использование. Отрицательные электроды с покрытием из оксида титанита лития предлагают более высокую скорость заряда и считаются более безопасными, чем электроды с графитом. Однако батареи с анодами из LTO имеют один недостаток: у них есть тенденция к снижению плотности энергии.
Команда исследователей во главе с профессором Хельмутом Эренбергом, главой Института прикладных материалов — систем накопления энергии в Технологическом институте Карлсруэ (KIT), исследовала еще один перспективный материал для анода: титанат лития-лантана с перовскитной кристаллической структурой (LLTO). Согласно исследованию, проведенному совместно с учеными из университета Цзилинь в Чанчуне, Китай, и другими исследовательскими институтами в Китае и Сингапуре, аноды LLTO имеют более низкий электродный потенциал по сравнению с коммерческими анодами LTO, что позволяет достичь более высокого напряжения аккумуляторной ячейки и её более высокой ёмкости.
«В конечном счете, напряжение ячейки и её емкость определяют плотность энергии батареи», — объясняет Эренберг. «В будущем аноды с покрытием из LLTO могли бы обеспечить производство особо безопасных и долговечных высокопроизводительные аккумуляторных ячеек». Исследование вносит вклад в работу исследовательской платформы по электрохимическим системам хранения энергии CELEST (Центр хранения электрохимической энергии Ульм и Карлсруэ), одной из крупнейших в мире исследовательских платформ для аккумуляторов.
Пригодность батареи для требовательных применений наряду с плотностью энергии, плотностью мощности, безопасностью и сроком службы определяет также скорость зарядки. В принципе, максимальный ток разряда и минимальное время зарядки зависят от переноса ионов и электронов в твердом теле и на границах раздела между материалами электрода и электролита. Чтобы улучшить скорость заряда, обычно уменьшают размер частиц электродного материала от микрометра до нанометрового масштаба.
Как показывают исследования ученых из KIT и их партнеров, опубликованные в журнале Nature Communications, даже частицы размером в несколько микрометров с покрытием из титаната лития-лантана с перовскитной кристаллической структурой обеспечивают более высокую плотность мощности и лучшую скорость зарядки, чем наночастицы оксида титаната лития. Исследовательская группа связывает это с так называемыми псевдо-емкостными свойствами LLTO: не только отдельные электроны присоединяются к этому материалу анода, но и несущие заряд ионы, которые связаны слабыми силами и могут обратимо переносить заряды на анод. «Благодаря более крупным частицам, LLTO обеспечивает в принципе более простые и менее дорогие методы производства электродов», — объясняет Эренберг.
Источник: https://www.pv-magazine.de/2020/07/28/kit-forscher-und-partner-identifizieren-vielversprechendes-anodenmaterial-fuer-lithium-ionen-batteriezellen/