Перспективный катод
Группа учёных из Университета Мериленда и Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL) при Министерстве энергетики США нашла новый материал, позволяющий утроить энергетическую плотность катода в ионно-литиевых аккумуляторах.
«В сравнении с ёмкостью графитового анода, используемого в коммерческих изделиях, ёмкость катода существенно ограничена, - рассказывает учёный Университета Мериленда Зьюлин Фэн. - Именно катод часто становится узким местом, когда нужно увеличить энергетическую плотность накопителя».
Обычно в ионно-литиевых аккумуляторах используются процессы интеркаляции ионов, в которых переносится лишь один электрон. Однако некоторые катодные соединения, такие, как FeF3, способны переносить три электрона в ходе реакции химического замещения.
«Когда ионы лития внедряются в FeF3, этот материал превращается во фторид железа-лития, - рассказал сотрудник Брукхейвенского центра функциональных наноматериалов Суён Хван. - При этом реакция внедрения ионов лития не является обратимой. Мы попробовали заместить два атома фтора на атом кислорода и каждый десятый атом железа на атом кобальта. После этого структура катодного материала обрела устойчивость и реакция внедрения ионов лития стала обратимой».
Исходный катодный материал FeF3, согласно расчётам, способен обеспечить плотность мощности до 1922 Вт·ч/кг. Его наноструктурированный и химический модифицированный вариант Fe0,9Co0,1OF в лабораторных тестах показал удельную ёмкость 420 мА·ч/г и выдержал 1000 циклов заряда-разряда (от 1,2 до 4 В током 70 мА/г) с потерей ёмкости около 0,03% за цикл.
Катодная наноструктура представляет собой «нанощётку» с «щетинками» диаметром 40-50 нм и длиной 300-400 нм. Исследователи сначала контролировали наноструктуры с помощью просвечивающего электронного микроскопа с разрешением 0,1 нм. Затем они наблюдали за изменением кристаллической решётки катода в реальном времени, используя источник синхротронного излучения.