Ученые предложили новый способ повышения устойчивости фосфата лития-марганца — высокоемкого, но нестабильного материала для литийионных аккумуляторов. На поверхности частиц материала исследователи сформировали градиентную защитную оболочку, содержащую ионы железа. Такое покрытие предотвратило нежелательные химические процессы, приводящие к разрушению электродов (накапливающих заряд элементов), и в десять раз увеличило количество допустимых циклов зарядки—разрядки.

Предложенная технология поможет увеличить срок службы широко используемых в современной технике литийионных и перспективных натрийионных аккумуляторов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Applied Surface Science.

Во многих устройствах, которыми мы ежедневно пользуемся — от смартфонов до электробусов,— используются литийионные аккумуляторы. Во время зарядки ионы лития в них извлекаются из катода (отрицательно заряженного элемента), мигрируют через раствор электролита и «встраиваются» в материал анода (положительно заряженного элемента). При разрядке происходит обратный процесс и создается ток, питающий подключенное к аккумулятору устройство. При этом именно материал катода в первую очередь определяет энергоемкость, мощность, срок службы и стоимость батарей. Одним из перспективных материалов для него считается фосфат лития-марганца. Этот материал доступен, безопасен и обеспечивает на 20% большую энергоемкость, чем повсеместно используемые аналоги из фосфата лития-железа. Но фосфат лития-марганца не выдерживает большого количества циклов заряда—разряда: ионы марганца с его поверхности растворяются в электролите, из-за чего сам катод разрушается, и его способность накапливать заряд падает. Поэтому ученые ищут способы защитить этот материал так, чтобы он не терял своих свойств.

Химики из Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова (Москва) и Сколтеха (Москва) нашли способ сформировать защитную оболочку на катодах из фосфата лития-марганца.

Авторы поместили наноразмерные частицы фосфата лития-марганца в раствор с ионами железа. Смесь нагрели до 150–200°С под повышенным давлением. В этих условиях, называемых гидротермальными, на поверхности частиц большая часть ионов марганца заместилась стабильными ионами железа. В результате сформировалась защитная оболочка толщиной в несколько нанометров, содержащая стабильный обогащенный железом фосфат. При этом покрытие получилось градиентным, то есть в нем не было четкой границы между нестабильным «ядром» и стабильной «оболочкой», что крайне важно с точки зрения устойчивости покрытия при многократной зарядке—разрядке аккумулятора. Количество внедренных ионов железа и толщину покрытия авторы регулировали путем изменения температуры и длительности обработки и концентрации раствора.

«Таким образом, мы получили наночастицы со структурой “ядро—оболочка”: внутренняя их часть состояла из исходного фосфата лития-марганца, а внешняя — из твердого раствора этого соединения с фосфатом лития-железа. Это лишь один из примеров для реализации нашего подхода, который в целом универсален и может быть применен для самых разнообразных приложений. Предложенная технология очень проста в реализации и не требует сложного оборудования. Поэтому ее будет легко масштабировать для промышленного применения»,— рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Олег Дрожжин, кандидат химических наук, заведующий лабораторией материалов для электрохимических процессов химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.

Из полученного материала исследователи сформировали катод и протестировали его в лабораторной модели аккумулятора. Эксперименты показали, что новый материал не теряет в емкости даже после 50 циклов заряда—разряда при повышенных температурах. Для сравнения, обычный фосфат лития-марганца теряет более половины своей емкости за первые несколько циклов. Это означает, что аккумуляторы на основе предложенного композита будут служить значительно дольше, сохраняя высокую емкость.

«В дальнейшем мы планируем использовать эту технологию на других фосфатных и оксидных материалах для литийионных и натрийионных аккумуляторов, причем в качестве объектов применения мы рассматриваем не только катоды, но и аноды. Комбинируя такие материалы с новыми типами связующего и композитных электролитов, которые разрабатываются сотрудниками химического факультета МГУ, мы надеемся создать основу для совершенно новых образцов металлоионных аккумуляторов»,— подводит итог Олег Дрожжин.

Ранее ученые определили, что емкость литийионных аккумуляторов можно увеличить в полтора раза, оптимизировав химический состав и концентрацию электролитов в них.

Подготовлено при поддержке Российского научного фонда