Созданы недорогие, высокоэнергетические "батареи из каменной соли": как они работают

Массачусетский технологический институт (MIT) использовал так называемую неупорядоченную каменную соль в качестве катодного материала для литий-ионных батарей. Она явилась ключом к созданию недорогих, высокоэнергетических накопителей для разных устройств: от смартфонов до электромобилей и возобновляемых источников энергии, пишет interestingengineering.com.

Исследователи создали новый класс частично неупорядоченных катодов из каменной соли, интегрированных с полианионами. Их назвали неупорядоченной каменной соль-полианионной шпинелью, или DRXPS.

Обычно в катодных материалах существует компромисс между плотностью энергии и стабильностью при циклировании, однако ученые попытались выйти за рамки, разработав новые химические составы катода. Это семейство материалов имеет высокую плотность энергии и хорошую стабильность при циклировании, так как объединяет два основных типа катодных материалов, каменную соль (не путать с поваренной солью — ред.) и полианионный оливин.

Важно, что новое семейство материалов в основном состоит из марганца. Этот распространенный на Земле элемент значительно дешевле никеля и кобальта, которые обычно используются в катодах сегодня. Марганец как минимум в 5 раз дешевле никеля и примерно в 30 раз дешевле кобальта.

Новое исследование решает одну из основных проблем, с которой сталкиваются неупорядоченные катоды из каменной соли — подвижность кислорода. Хотя эти материалы давно известны тем, что обладают очень высокой емкостью — до 350 миллиампер-часов на грамм — по сравнению с традиционными катодными материалами, которые обычно имеют емкость от 190 до 200 миллиампер-часов на грамм, они не очень стабильны.

Высокая емкость частично обеспечивается окислительно-восстановительным потенциалом кислорода, который активируется, когда катод заряжается до высокого напряжения. Но когда это происходит, кислород становится подвижным, что приводит к реакциям с электролитом и деградации материала, в конечном итоге делая его фактически бесполезным после длительного цикла. Чтобы преодолеть эти проблемы, ученые добавили еще один элемент — фосфор, действующий как клей, удерживающий кислород на месте для смягчения деградации. Из-за фосфора образовались так называемые полианионы с соседними атомами кислорода. Это позволило остановить транспортировку кислорода и получить хорошую стабильность.

Качество энергии повысилось. Чем выше напряжение на ячейку, тем меньше нужно подключать их последовательно в аккумуляторе, и тем проще становится система управления батареей.